04.03.2005 - Physik
In kollabierenden Hohlräumen einer Flüssigkeit entsteht Plasma und es herrschen bis zu 15.000 Grad
Kollabierende Gasblasen können hohe Temperaturen erzeugen und sogar Licht aussenden – ein Phänomen, das Physiker Sonolumineszenz nennen. Lange blieben Details dieses Prozesses im Dunkeln. Bis jetzt: US-Chemiker brachten nun erstmals einzelne Gasblasen durch Schallwellen kontrolliert zum Platzen. Neben hohen Temperaturen von bis zu 15.000 Kelvin konnten sie sogar die kurzzeitige Bildung eines Plasmas innerhalb der Blase beobachten. Ihre Ergebnisse veröffentlichen sie im Fachblatt Nature (Vol. 434, S. 52).
"Wir konnten die Bildung von extrem intensiver Sonolumineszenz einer einzelnen Blase in einer konzentrierten Schwefelsäurelösung beobachten", berichten David Flannigan und Kenneth Suslick von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Für ihre detaillierten Beobachtungen wählten sie Edelgase wie Argon oder Xenon als Füllgas. Diese einatomigen Gase haben den Vorteil, dass sie während des Zerplatzens keine Energie für die Anregung von Rotationsschwingungen verbrauchen, denn es soll möglichst viel Energie während des Kollaps für die Lichtaussendung zur Verfügung stehen. Ein hoher Anteil an Schwefelsäure indes sorgt wegen seiner höheren Viskosität im Vergleich zu reinem Wasser für stabile, relativ große, kugelförmige Blasen. Allein dadurch konnten die beiden Wissenschaftler die Photonen-Ausbeute pro kollabierender Blase um das Tausendfache auf zehn Millionen pro Lichtblitz steigern.
Nach vielen Versuchen optimierten Flannigan und Suslick die Lichtausbeute mit Schallwellen zwischen 20 und 40 Kilohertz und verschiedenen Schalldrücken. Obwohl der Lichtblitz selbst mit bloßem Auge sichtbar ist, nahmen die Forscher zusätzlich ein detailiertes Spektrum der emittierten Photonen auf. Dabei beobachteten sie Spektrallinien, die nur durch das Auftreten hochenergetischer Elektronen und hoch angeregter Zustände beispielsweise von Sauerstoff-Ionen erklärbar sind. Damit ließ sich nicht nur die überraschend hohe Temperatur von 15.000 Kelvin belegen, sondern auch die Existenz einer Wolke aus ionisierten Teilchen, eines Plasmas. "Flannigans und Suslicks Experimente sind ein Meilenstein bei der Analyse der Sonolumineszenz einzelner Blasen", beurteilt Detlef Lohse von der niederländischen Universität Twente diese Ergebnisse.
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