Sonolumineszenz

2025-06-13T06:29:57Z

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Unter '''Sonolumineszenz''' ({{laS|sonare}} „tönen“, ''{{lang|la|lumen}}'' „Licht“) versteht man ein physikalisches Phänomen, bei dem eine Flüssigkeit unter starken Druckschwankungen ultrakurze, hochenergetische Lichtblitze aussendet. Die Sonolumineszenz ist daher eine spezielle Art der [[Lumineszenz]]. Ein sehr ähnliches Phänomen, das beim Schnappen der Schere von [[Knallkrebse]]n auftritt, wird in Anlehnung an Sonolumineszenz als '''Shrimpoluminescence''' bezeichnet.<ref>''Snapping shrimp make flashing bubbles''. In: ''[[Nature]]'', Volume 413, S. 477–478, 2001 ([https://www.nature.com/articles/35097152 Zusammenfassung online])</ref>

== Ursachen ==
Auslöser des Phänomens ist [[Kavitation]] (Entstehen und Auflösen von Hohlräumen in Flüssigkeiten), die mit [[Ultraschall]] geeigneter Stärke und Frequenz in Flüssigkeiten künstlich erzeugt werden kann. Es bilden sich permanent neue Hohlräume, die sich zuerst schnell ausdehnen, um anschließend zu [[Implosion|implodieren]]. Beim Kollaps dieser Hohlräume kann aus bisher nicht geklärten Gründen ein kurzer Lichtblitz entstehen. An der Oberfläche kollabierender Hohlräume wurden Temperaturen von über 10.000 °C gemessen.

== Forschung ==
Sonolumineszenz wurde zuerst 1934 von [[Hermann Frenzel]] und Schultes an der [[Universität zu Köln]] entdeckt, als sie an einem Sonarexperiment arbeiteten.<ref>{{Literatur |Autor=H. Frenzel, H. Schultes |Titel=Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser |Sammelwerk=Zeitschrift f. Physikalische Chemie, Abt. B |Band=27 |Datum=1934 |Seiten=421–424}}</ref> In dem Experiment wurde ein Ultraschallgenerator in ein Entwicklerbad getaucht, um die Entwicklungszeit des fotografischen Films zu verkürzen. Anstatt des Bildes sahen die Forscher auf dem Film nach der Entwicklung viele kleine, helle Punkte und schlossen daraus, dass in der Entwicklungsflüssigkeit kleine Bläschen entstanden waren, die Licht ausstrahlen mussten, während der Ultraschallgenerator eingeschaltet war. Zu dieser Zeit war es allerdings noch nicht möglich, den Effekt genauer zu untersuchen, da die Blitze zu unregelmäßig und zu kurz waren. Das Experiment wird auch N. Marinesco und J. J. Trillat im Jahr 1933 zugeschrieben.<ref name="Marinesco-Trillat" /> Dieses Phänomen wird seitdem Multi-Bubble-Sonoluminescence (MBSL) (auf Deutsch ''Mehrblasen-Sonolumineszenz'') genannt.
1974 wurde von [[Werner Lauterborn]] als Ergebnis experimenteller Untersuchungen eine Erweiterung der [[Rayleigh-Plesset-Gleichung]] zur Beschreibung des Blasenradius veröffentlicht:<ref name="Lauterborn" />

== Formeln ==
: <math>\ddot{R} + \frac{3}{2R}\dot R^2 = {1 \over \rho \cdot R}\left( p_n \left(\frac{R_n}{R}\right)^{3\chi} + p_\mathrm{d} - \frac{2\sigma}{R} - \frac{4\mu}{R} \dot R - p_\mathrm{stat} - p(t)\right)</math>

mit
: <math>p_n = {2 \sigma \over R_n} + p_\mathrm{stat} + p_\mathrm{d}</math>
:: <math>R</math>: momentaner Radius der kugelförmigen Blase
:: <math>\rho</math>: Dichte der Flüssigkeit
:: <math>R_n </math>: Ruheradius der Blase
:: <math>p_n </math>: Gasdruck in der Blase bei <math>R = R_n</math>
:: <math>\chi</math>: [[Polytropenexponent]] des Gases in der Blase
:: <math>p_\mathrm{d}</math>: [[Dampfdruck]] der Flüssigkeit
:: <math>p_\mathrm{stat}</math>: statischer Außendruck am Ort der Blase
:: <math>\sigma</math>: [[Oberflächenspannung]] der Flüssigkeit
:: <math>\mu</math>: [[Viskosität]] der Flüssigkeit
[[Datei:Sonoluminescence.png|zentriert|mini|hochkant=2|Von links nach rechts: Auftreten der Blase, langsame Expansion, schneller plötzlicher Kollaps, Lichtemission]]

== Theorien ==
Nicht alle Details der Sonolumineszenz sind vollständig verstanden. Eine Theorie besagt, dass das Gas in einem implodierenden Hohlraum durch [[Adiabatische Zustandsänderung|adiabatische]] Kompression so hoch erhitzt wird, dass es aufleuchtet. Für diese Theorie spricht, dass das Leuchten ein kontinuierliches [[Lichtspektrum|Spektrum]] besitzt, was auf thermische Strahlung hinweist. Weiter konnte ein zeitlicher Zusammenhang zwischen den Lichtblitzen und dem Zusammenfall der Hohlräume festgestellt werden. Die Lichtblitze traten immer im letzten Moment des Zusammenfalls auf. Höhere [[Atommasse]] und damit schlechtere [[Wärmeleitfähigkeit]] des in der Flüssigkeit gelösten Gases beeinflussen die Lichtintensität positiv. Sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige [[Viskosität]] der den Hohlraum umgebenden Flüssigkeit verringern dagegen die Leuchtintensität.

Spektakuläre Erklärungsversuche sind [[Quantenfeldtheorie|quantenfeldtheoretische]] Überlegungen, es handele sich entweder um einen Effekt der [[Vakuumenergie]]<ref>Claudia Eberlein: ''Sonoluminescence as Quantum Vacuum Radiation.'' In: ''Phys. Rev. Lett.'' 76, Nr. 20, 1996, S. 3842–3845, [[doi:10.1103/PhysRevLett.76.3842]].</ref> oder um [[Kernfusion]],<ref name="Taleyarkhan-West" /><ref name="Shapira-Saltmarsh" /> nutzbar als Energiequelle, als sogenannte [[Bläschenfusion]]. Beide Erklärungen stoßen in der Fachwissenschaft auf starke Skepsis, insbesondere nachdem der Versuchsleiter [[Rusi P. Taleyarkhan]] des angeblichen Nachweises der Bläschenfusion zum zweiten Mal des wissenschaftlichen Fehlverhaltens bezichtigt (2006 und 2008, beidesmal mit sehr ähnlichen Anschuldigungen) und 2008 schuldig gesprochen wurde, wodurch seine Beobachtungen infrage gestellt werden.<ref name="PurdueReport">{{Webarchiv|url=http://news.uns.purdue.edu/x/2008b/080718PurdueReport.pdf |wayback=20110615101420 |text=Report of the investigation Committee In the Matter of Dr. Rusi P. Taleyarkhan }} (PDF)</ref> Die Art und Weise, wie die Untersuchungen der [[Purdue University|Purdue-Universität]] durchgeführt wurden, sind aber in der Fachwelt ebenfalls nicht unumstritten.

== Multi-Bubble-Sonolumineszenz ==
[[Datei:Sonolumineszenz mit Sonotrode.JPG|mini|Glycerin bei 0 °C mit einer Branson Sonifier 450 [[Sonotrode]] beschallt. Aufnahme bei 5 min Belichtungszeit mit einem [[ISO 5800|hochempfindlichen Film]]. Position der Sonotrode mit einer roten Linie angedeutet]]

Mit Multi-Bubble-Sonolumineszenz (kurz MBSL) bezeichnet man die zuerst entdeckte Form der Sonolumineszenz. Diese Beobachtung von schwachem Leuchten in mechanisch stark bewegten Flüssigkeiten führte zur Entdeckung der Sonolumineszenz. Das sehr kurze und auch nur schwach leuchtende Blitzen, das bei der MBSL zufällig an verschiedenen Orten im Versuchsgefäß auftritt, ist nur schwer für das menschliche Auge wahrzunehmen. Deshalb benötigte man für diesen Versuch lichtverstärkende Kameras oder Langzeitbelichtung beim Filmmaterial.

== Single-Bubble-Sonolumineszenz ==
[[Datei:Sonoluminescenza.jpg|mini|Bild einer Einzelblasensonolumineszenz]]

Weiters hat eine neuentdeckte Form der Sonolumineszenz, die Einzelblasensonolumineszenz (engl. {{lang|en|''Single Bubble Sonoluminescence''}}, SBSL), das Interesse der Forschung geweckt. Deren Besonderheit liegt darin, dass eine einzige leuchtende Kavitationsblase über längere Zeit an einem Ort stabil gehalten und untersucht werden kann. Das geschieht dadurch, dass man eine einzelne Luftblase in einem stehenden Ultraschallfeld hält und dort über mehrere Zyklen periodisch komprimiert und dekomprimiert.
Die SBSL ist für Beobachtungen besser geeignet als die MBSL, weil bei der SBSL die schwachen Lichtblitze, welche eine Dauer von nur wenigen Picosekunden haben, durch ihre schnelle Abfolge an gleicher Stelle wie eine ständig leuchtende Blase erscheinen.

== Literatur ==
Bücher:
* {{Literatur
|Autor=F. R. Young
|Titel=Sonoluminescence
|Verlag=CRC Press
|Ort=Boca Raton
|Datum=2005
|ISBN=0-8493-2439-4}}
* {{Literatur
|Autor=Lawrence A. Crum
|Titel=Sonochemistry and sonoluminescence
|Verlag=Kluwer
|Ort=Dordrecht
|Datum=1999
|ISBN=0-7923-5549-0}}
* John D. Wrbanek, Gustave C. Gralic, Susan Y. Wrbanek, Nancy R. Hall: ''Investigating Sonoluminescence as a Means of Energy Harvesting.'' In: Marc G. Millis, Eric W. Davis: ''Frontiers of Propulsion Science.'' American Inst. of Aeronautics & Astronautics, Reston 2009, ISBN 1-56347-956-7, S. 605–637 ([http://biblioteca.universia.net/html_bura/ficha/params/title/investigating-sonoluminescence-as-means-of-energy-harvesting/id/44232698.html Abstract]).

Zeitschriftenartikel:
* {{Literatur
|Autor=Michael P. Brenner, Sascha Hilgenfeldt, [[Detlef Lohse]]
|Titel=Single-bubble sonoluminescence
|Sammelwerk=Reviews of Modern Physics
|Band=74
|Nummer=2
|Datum=2002-04-13
|Seiten=425–484
|DOI=10.1103/RevModPhys.74.425}}
* {{Literatur
|Autor=H. Frenzel, H. Schultes
|Titel=Luminescenz im ultraschallbeschickten Wasser
|Sammelwerk=Zeitschrift f. Physikalische Chemie, Abt. B
|Band=27
|Datum=1934
|Seiten=421–424}}
* {{Literatur
|Autor=Y. T. Didenko, K. S. Suslick
|Titel=The energy efficiency of formation of photons, radicals and ions during single-bubble cavitation
|Sammelwerk=Nature
|Band=418
|Nummer=6896
|Datum=2002
|Seiten=394–397
|DOI=10.1038/nature00895}}
* {{Literatur
|Autor=H. Dittmar-Ilgen
|Titel=Neues über Sonolumineszenz und Pyrofusion
|Sammelwerk=Naturwissenschaftlichen Rundschau
|Nummer=9
|Datum=2006
|Seiten=484}}
* [[Seth Putterman]]: ''Sonoluminescence: the star in a jar.'' In: ''Physics World'' Nr. 3, 1998, S. 38–42; [http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono2.pdf physics.ucla.edu] (PDF) abgerufen am 24. Juni 2009.
* Seth Putterman: ''Sonoluminescence: Sound into Light.'' In: ''Scientific American'', Februar 1995, S. 32–37; [http://www.physics.ucla.edu/Sonoluminescence/sono.pdf physics.ucla.edu] (PDF) abgerufen am 5. August 2010.
* Ryan Gutenkunst: ''Extracting Light from Water: Sonoluminescence.'' In: ''Caltech Undergraduate Research Journal.'' 2, Nr. 1, 2002, S. 16–22 ({{Webarchiv |url=http://cnls.lanl.gov/~ryang/Publications/Gutenkunst2002.pdf |wayback=20100728134754 |text=cnls.lanl.gov |format=PDF}}, abgerufen am 10. Oktober 2009).

Artikel von Autoren, die stark in der wissenschaftlichen Kritik stehen:
* {{Literatur
|Autor=R. P. Taleyarkhan, J. S. Cho, C. D. West, R. T. Lahey Jr, R. I. Nigmatulin, R. C. Block
|Titel=Additional evidence of nuclear emissions during acoustic cavitation
|Sammelwerk=Physical Review E
|Band=69
|Nummer=3
|Datum=2004
|Seiten=36109
|DOI=10.1103/PhysRevE.69.036109}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Sonoluminescence}}
* John Wrbanek et al.: {{Webarchiv |url=http://newbusiness.grc.nasa.gov/wp-content/uploads/2009/02/SonoAltEnergy-2-2.pdf |wayback=20111018110256 |text=Investigating Sonoluminescence as a Source of Alternative Energy |format=PDF}} [[Glenn Research Center]] 08/2009 (abgerufen am 26. Juli 2010).

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Lauterborn">
{{Literatur
|Autor=W. Lauterborn
|Titel=Kavitation durch Laserlicht
|Sammelwerk=Acustica
|Band=31
|Nummer=2
|Datum=1974
|Seiten=51–78}}
</ref>
<ref name="Marinesco-Trillat">
{{Literatur
|Autor=N. Marinesco, J. J. Trillat
|Titel=Action of supersonic waves upon the photographic plate
|Sammelwerk=Proc. R. Acad. Sci
|Band=196
|Datum=1933
|Seiten=858–860}}
</ref>
<ref name="Shapira-Saltmarsh">
{{Literatur
|Autor=D. Shapira, M. Saltmarsh
|Titel=Nuclear Fusion in Collapsing Bubbles – Is It There? An Attempt to Repeat the Observation of Nuclear Emissions from Sonoluminescence
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=89
|Nummer=10
|Datum=2002
|Seiten=104302
|DOI=10.1103/PhysRevLett.89.104302}}
</ref>
<ref name="Taleyarkhan-West">
{{Literatur
|Autor=R. P. Taleyarkhan, C. D. West, J. S. Cho, R. T. Lahey, R. I. Nigmatulin, R. C. Block
|Titel=Evidence for Nuclear Emissions During Acoustic Cavitation
|Sammelwerk=Science
|Band=295
|Nummer=5561
|Datum=2002
|Seiten=1868–1873
|DOI=10.1126/science.1067589}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Wasserschall]]
[[Kategorie:Strömungsmechanik]]
[[Kategorie:Optischer Effekt]]

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Sonolumineszenz