Mechanism of sonoluminescence
सोनोल्युमिनेसेंस एक ऐसी घटना है जो तब होती है जब एक छोटे से गैस के बुलबुले को ध्वनिक रूप से निलंबित किया जाता है और समय-समय पर अल्ट्रासोनिक आवृत्तियों पर तरल घोल में संचालित किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप बुलबुला ढह जाता है, गुहा बन जाती है और प्रकाश उत्सर्जन होता है। बुलबुला गिरने से निकलने वाली तापीय ऊर्जा इतनी अधिक होती है कि यह कमजोर प्रकाश उत्सर्जन का कारण बन सकती है। प्रकाश उत्सर्जन का तंत्र अनिश्चित बना हुआ है, लेकिन कुछ वर्तमान सिद्धांत, जिन्हें तापीय या विद्युत प्रक्रियाओं के तहत वर्गीकृत किया गया है, ब्रेम्सस्ट्रालंग विकिरण, आर्गन सुधार परिकल्पना और हॉट स्पॉट हैं। कुछ शोधकर्ता तापीय प्रक्रिया के स्पष्टीकरण का समर्थन करने लगे हैं क्योंकि वर्णक्रमीय विश्लेषण के विभिन्न तरीकों के साथ तापमान में अंतर लगातार देखा गया है। प्रकाश उत्सर्जन तंत्र को समझने के लिए, यह जानना महत्वपूर्ण है कि बुलबुले के आंतरिक भाग और बुलबुले की सतह पर क्या हो रहा है। वर्तमान प्रतिस्पर्धी सिद्धांत 1990 के दशक की शुरुआत से पहले, सोनोल्युमिनेसेंस के विभिन्न रासायनिक और भौतिक चर पर अध्ययन बहु-बुलबुला सोनोल्युमिनेसेंस (एमबीएसएल) का उपयोग करके किए गए थे। यह एक समस्या थी क्योंकि सभी सिद्धांत और बुलबुला गतिशीलता एकल बुलबुला सोनोल्युमिनेसेंस (एस. बी. एस. एल.) पर आधारित थे और शोधकर्ताओं का मानना था कि पड़ोसी बुलबुले के बुलबुला दोलन एक दूसरे को प्रभावित कर सकते हैं। एकल बुलबुला सोनोल्युमिनेसेंस 1990 के दशक की शुरुआत तक हासिल नहीं किया गया था और एकल कैविटिंग बुलबुले पर विभिन्न मापदंडों के प्रभावों के अध्ययन की अनुमति दी गई थी। कई प्रारंभिक सिद्धांतों के गलत साबित होने के बाद, शेष प्रशंसनीय सिद्धांतों को दो अलग-अलग प्रक्रियाओं में वर्गीकृत किया जा सकता हैः विद्युत और तापीय। एकल-बुलबुला सोनोल्युमिनेसेंस (एस. बी. एस. एल.) एस. बी. एस. एल. पड़ोसी बुलबुले के बीच कम अंतःक्रिया के कारण एम. बी. एस. एल. की तुलना में अधिक प्रकाश उत्सर्जित करता है। एस. बी. एस. एल. के लिए एक और लाभ यह है कि एक एकल बुलबुला आसपास के अन्य बुलबुले से प्रभावित हुए बिना ढह जाता है, जिससे ध्वनिक कैविटेशन और सोनोल्यूमिनेसेंस सिद्धांतों पर अधिक सटीक अध्ययन की अनुमति मिलती है। कुछ विदेशी सिद्धांत बनाए गए हैं, उदाहरण के लिए 1992 में श्विंगर ने गतिशील कासिमिर प्रभाव को एक संभावित फोटॉन-उत्सर्जन प्रक्रिया के रूप में संकेत दिया। कई सिद्धांतों का कहना है कि प्रकाश उत्सर्जन का स्थान बुलबुले के अंदर के बजाय तरल में होता है। एस. बी. एस. एल. के अन्य सिद्धांत बताते हैं कि बुलबुले में उच्च तापमान के कारण फोटॉन का उत्सर्जन एम. बी. एस. एल. के हॉट स्पॉट सिद्धांतों के अनुरूप है। तापीय उत्सर्जन के संबंध में विभिन्न प्रक्रियाओं की एक बड़ी विविधता प्रचलित है। चूँकि पतन के दौरान तापमान कई सौ से कई हजार केल्विन तक बढ़ रहा है, इसलिए प्रक्रियाएँ आणविक पुनर्संयोजन, टकराव-प्रेरित उत्सर्जन, आणविक उत्सर्जन, एक्साइमर, परमाणु पुनर्संयोजन, आयनों के विकिरण संलग्नक, तटस्थ और आयन ब्रेम्सस्ट्रालंग, या रिक्त स्थान में सीमित इलेक्ट्रॉनों से उत्सर्जन हो सकती हैं। इनमें से कौन सा सिद्धांत लागू होता है, यह बुलबुला के अंदर तापमान के सटीक माप और गणना पर निर्भर करता है। मल्टी-बबल सोनोल्युमिनेसेंस (एमबीएसएल) एकल-बुलबुला सोनोल्युमिनेसेंस के विपरीत, मल्टी-बबल सोनोल्युमिनेसेंस कई दोलन और ढहने वाले बुलबुले का निर्माण है। आमतौर पर एम. बी. एस. एल. में, प्रत्येक व्यक्तिगत बुलबुले से प्रकाश उत्सर्जन एस. बी. एस. एल. की तुलना में कमजोर होता है क्योंकि पड़ोसी बुलबुले परस्पर क्रिया कर सकते हैं और एक दूसरे को प्रभावित कर सकते हैं। क्योंकि प्रत्येक पड़ोसी बुलबुला एक दूसरे के साथ बातचीत कर सकता है, यह सटीक अध्ययन का उत्पादन करने और ढहने वाले बुलबुले के गुणों को चिह्नित करने के लिए अधिक कठिन बना सकता है। बुलबुला आंतरिक सोनोल्युमिनेसेंस अनुसंधान में सबसे बड़ी बाधाओं में से एक बुलबुला के आंतरिक माप प्राप्त करने की कोशिश कर रहा है। अधिकांश माप, जैसे तापमान और दबाव, अप्रत्यक्ष रूप से मॉडल और बुलबुला गतिशीलता का उपयोग करके मापा जाता है। तापमान एस. बी. एस. एल. के तंत्र के बारे में कुछ विकसित सिद्धांतों के परिणामस्वरूप 6000 केल्विन से 20,000 केल्विन तक के चरम तापमान का पूर्वानुमान होता है। उन सभी में जो समानता है, वह यह है कि क) बुलबुले का आंतरिक भाग गर्म हो जाता है और कम से कम उतना ही गर्म हो जाता है जितना कि एम. बी. एस. एल. के लिए मापा जाता है, ख) जल वाष्प मुख्य तापमान-सीमित करने वाला कारक है और ग) बुलबुले पर औसत तापमान 10,000 केल्विन से अधिक नहीं बढ़ता है। बुलबुले की गतिशीलता ये समीकरण पांच प्रमुख धारणाओं का उपयोग करके बनाए गए थे, जिनमें से चार सभी समीकरणों के लिए सामान्य हैंः बुलबुला गोलाकार रहता है बुलबुले की सामग्री आदर्श गैस कानून का पालन करती है बुलबुले के अंदर आंतरिक दबाव समान रहता है बुलबुला के अंदर कोई वाष्पीकरण या संघनन नहीं होता है पाँचवीं धारणा, जो बदलती है। ये धारणाएँ मॉडलों को गंभीर रूप से सीमित करती हैं जब स्पंदन बड़े होते हैं और दीवार का वेग ध्वनि की गति तक पहुँच जाता है। केलर-मिक्सिस सूत्रीकरण केलर-मिक्सिस सूत्रीकरण ध्वनि क्षेत्र में फंसे बुलबुले के बड़े, रेडियल दोलनों के लिए व्युत्पन्न एक समीकरण है। जब ध्वनि क्षेत्र की आवृत्ति बुलबुले की प्राकृतिक आवृत्ति के करीब पहुंचती है, तो इसके परिणामस्वरूप बड़े आयाम दोलन होंगे। केलर-मिक्सिस समीकरण बुलबुला से आने वाली चिपचिपाहट, सतह तनाव, घटना ध्वनि तरंग और ध्वनिक विकिरण को ध्यान में रखता है, जो पहले लॉटरबोर्न की गणना में नहीं था। लॉटरबॉर्न ने उस समीकरण को हल किया जो प्लेसेट और अन्य ने किया था। बड़े दोलन वाले बुलबुले के रेले के मूल विश्लेषण से संशोधित। केलर और मिकिस ने निम्नलिखित सूत्र प्राप्त कियाः बुलबुला की त्रिज्या कहाँ है, बिंदु पहली और दूसरी बार के व्युत्पन्न को इंगित करते हैं, तरल का घनत्व है, तरल के माध्यम से ध्वनि की गति है, बुलबुला के इंटरफेस के तरल पक्ष पर दबाव है, समय है, और समय-विलंबित ड्राइविंग दबाव है। प्रोस्पेरेट्टी सूत्रीकरण प्रोस्पेरेट्टी ने निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके बुलबुले के आंतरिक दबाव को सटीक रूप से निर्धारित करने का एक तरीका पाया। जहाँ तापमान है, गैस की तापीय चालकता है, और रेडियल दूरी है। फ्लिन का सूत्रीकरण यह सूत्रीकरण एक ध्वनिक दबाव क्षेत्र द्वारा गति में आने वाले तरल पदार्थों में छोटे कैविटेशन बुलबुले पर गति और गर्मी चालन, कतरनी चिपचिपाहट, संपीड़न और सतह तनाव के प्रभावों का अध्ययन करने की अनुमति देता है। कैविटेशन बुलबुले पर वाष्प दबाव के प्रभाव को इंटरफैशियल तापमान का उपयोग करके भी निर्धारित किया जा सकता है। सूत्रीकरण विशेष रूप से एक बुलबुले की गति का वर्णन करने के लिए डिज़ाइन किया गया है जो अधिकतम त्रिज्या तक फैलता है और फिर हिंसक रूप से ढह जाता है या सिकुड़ जाता है। समीकरणों के इस समूह को एक बेहतर यूलर विधि का उपयोग करके हल किया गया था। जहाँ बुलबुला की त्रिज्या है, बिंदु पहली और दूसरी बार के व्युत्पन्न को इंगित करते हैं, तरल का घनत्व है, तरल के माध्यम से ध्वनि की गति है, बुलबुला के इंटरफेस के तरल पक्ष पर दबाव है, समय है, और ड्राइविंग दबाव है। रेले-प्लेसेट समीकरण बुलबुला गतिकी का सिद्धांत 1917 में लॉर्ड रेले द्वारा जहाज के प्रणोदक पर गुहा क्षति की जांच करने के लिए रॉयल नेवी के साथ अपने काम के दौरान शुरू किया गया था। कई दशकों में उनके काम को मिल्टन प्लेसेट, एंड्रिया प्रोस्पेरेटी और अन्य लोगों द्वारा परिष्कृत और विकसित किया गया था। रेले-प्लेसेट समीकरण हैः जहाँ बुलबुला त्रिज्या है, समय के संबंध में बुलबुला त्रिज्या का दूसरा क्रम व्युत्पन्न है, समय के संबंध में बुलबुला त्रिज्या का पहला क्रम व्युत्पन्न है, तरल का घनत्व है, गैस में दबाव है (जिसे समान माना जाता है), पृष्ठभूमि स्थिर दबाव है, साइनसॉइडल ड्राइविंग दबाव है, तरल की चिपचिपाहट है, और गैस-तरल इंटरफेस का सतह तनाव है। बुलबुला सतह एस. बी. एस. एल. और एम. बी. एस. एल. दोनों में देखे जाने वाले एक ढहने वाले बुलबुले की सतह घोल के तरल और वाष्प चरणों के बीच एक सीमा परत के रूप में कार्य करती है। एम. बी. एस. एल. उत्पादन को विभिन्न परिस्थितियों में कई अलग-अलग समाधानों में देखा गया है। दुर्भाग्य से इसका अध्ययन करना अधिक कठिन है क्योंकि बुलबुला बादल असमान है और इसमें दबाव और तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला हो सकती है। बुलबुला की अनुमानित प्रकृति के कारण एस. बी. एस. एल. का अध्ययन करना आसान है। यह बुलबुला मध्यम दबाव की एक स्थायी ध्वनिक लहर में बना रहता है, लगभग 1.5 एटीएम। चूँकि कैविटेशन आम तौर पर इन दबावों पर नहीं होता है, बुलबुला को कई तकनीकों के माध्यम से बोया जा सकता हैः निक्रोम तार में छोटी धारा पल्स के माध्यम से क्षणिक उबलना। हवा के बुलबुले लाने के लिए पानी का एक छोटा सा जेट सतह को परेशान करता है। केंद्रित लेजर पल्स के माध्यम से एक तेजी से गठित वाष्प गुहा। स्थायी ध्वनिक तरंग, जिसमें नियंत्रण पोत के केंद्र में दबाव एंटीनोड होते हैं, बुलबुले को जल्दी से एक एकल रेडियल ऑसिलेटिंग बुलबुले में एकजुट कर देता है। एक बार जब एक एकल बुलबुला स्थायी तरंग के दबाव एंटीनोड में स्थिर हो जाता है, तो इसे बुलबुला को अत्यधिक अरैखिक दोलनों में चलाकर प्रकाश की स्पंदों का उत्सर्जन किया जा सकता है। यह बुलबुला के स्थिर, रैखिक विकास को बाधित करने के लिए ध्वनिक तरंग के बढ़ते दबाव द्वारा किया जाता है जो बुलबुला को एक भगोड़ा प्रतिक्रिया में ढहाने का कारण बनता है जो केवल अपने न्यूनतम त्रिज्या पर बुलबुला के अंदर उच्च दबाव के कारण वापस आ जाता है। ढह गया बुलबुला उच्च आंतरिक दबाव के कारण फैलता है और कम होने वाले प्रभाव का अनुभव करता है जब तक कि उच्च दबाव वाला एंटीनोड पोत के केंद्र में वापस नहीं आ जाता है। ध्वनिक विकिरण बल, ब्जर्कनेस बल और बुलबुले के उत्प्लावन बल के कारण बुलबुला कमोबेश एक ही स्थान पर कब्जा करना जारी रखता है। सतह रसायन विज्ञान विलयन में मौजूद विभिन्न रसायनों के गिरने वाले बुलबुले के वेग पर पड़ने वाले प्रभाव का हाल ही में अध्ययन किया गया है। सल्फ्यूरिक और फॉस्फोरिक एसिड जैसे गैर-वाष्पशील तरल पदार्थों को बहुत धीमी बुलबुला दीवार वेग के साथ कई नैनोसेकंड की अवधि में प्रकाश की चमक पैदा करने और कई हजार गुना अधिक प्रकाश उत्सर्जन का उत्पादन करने के लिए दिखाया गया है। यह प्रभाव संभवतः एस. बी. एस. एल. में जलीय घोलों में पानी के अणुओं और संदूषकों द्वारा प्रकाश के अवशोषण द्वारा छिपा हुआ है। सतह तनाव इन परिणामों से यह अनुमान लगाया जा सकता है कि इन विभिन्न यौगिकों के बीच सतह तनाव में अंतर उत्सर्जित विभिन्न स्पेक्ट्रा और समय पैमाने का स्रोत है जिसमें उत्सर्जन होता है। एक ढहने वाले बुलबुले की जड़ता उच्च दबाव और तापमान उत्पन्न करती है जो बुलबुले की मात्रा के भीतर उत्कृष्ट गैस के एक छोटे से अंश को आयनित करने में सक्षम होती है। आयनीकृत गैस का यह छोटा सा अंश पारदर्शी है और आयतन उत्सर्जन का पता लगाने की अनुमति देता है। आयनीकृत उत्कृष्ट गैस से मुक्त इलेक्ट्रॉन अन्य तटस्थ परमाणुओं के साथ बातचीत करना शुरू कर देते हैं जिससे थर्मल ब्रेम्सस्ट्रालंग विकिरण होता है। सतही उत्सर्जन लंबी अवधि के साथ प्रकाश की अधिक तीव्र चमक उत्सर्जित करता है और तरंग दैर्ध्य पर निर्भर करता है। प्रायोगिक आंकड़ों से पता चलता है कि सोनोल्युमिनेसेंस के मामले में केवल आयतन उत्सर्जन होता है। जैसे-जैसे ध्वनि तरंग कम ऊर्जा गर्त तक पहुंचती है, बुलबुला फैलता है और इलेक्ट्रॉन मुक्त आयनों के साथ फिर से जुड़ने और प्रकाश उत्सर्जन को रोकने में सक्षम होते हैं। प्रकाश स्पंद समय उत्कृष्ट गैस की आयनीकरण ऊर्जा पर निर्भर करता है जिसमें आर्गन की प्रकाश स्पंद 160 पिकोसेकंड की होती है। विद्युत प्रक्रियाएँ 1937 में, प्रकाश उत्सर्जन के लिए स्पष्टीकरणों ने विद्युत निर्वहन का समर्थन किया है। पहले विचार कैविटेशन बुलबुले में चार्ज पृथक्करण के बारे में रहे हैं, जिन्हें केंद्र और दीवार पर चार्ज के साथ गोलाकार संधारित्र के रूप में देखा गया है। ढहने पर, धारिता कम हो जाती है और वोल्टेज तब तक बढ़ जाता है जब तक कि बिजली टूट नहीं जाती। एक और सुझाव बुलबुला दीवार पर आवेश उतार-चढ़ाव को बढ़ाकर आवेश पृथक्करण था, हालाँकि, बुलबुला गतिकी के विस्तार चरण के दौरान एक टूटना होना चाहिए। इन निर्वहन सिद्धांतों को यह मानना होगा कि उत्सर्जक बुलबुला एक असममित पतन से गुजरता है, क्योंकि एक सममित आवेश वितरण प्रकाश को विकिरण नहीं कर सकता है। तापीय प्रक्रियाएँ क्योंकि बुलबुला का पतन माइक्रोसेकंड के भीतर होता है, हॉट स्पॉट सिद्धांत बताता है कि तापीय ऊर्जा एक एडियाबेटिक बुलबुला के पतन के परिणामस्वरूप होती है। 1950 में यह माना गया था कि एक गोलाकार सममित बुलबुला के गिरने पर बुलबुला का आंतरिक तापमान 10,000 केल्विन जितना अधिक था। 1990 के दशक में, सोनोल्युमिनेसेंस स्पेक्ट्रा का उपयोग सुसलिक द्वारा 5000 केल्विन के बुलबुला बादलों (मल्टीबबल सोनोल्युमिनेसेंस) में प्रभावी उत्सर्जन तापमान को मापने के लिए किया गया था, और हाल ही में एकल बुलबुला कैविटेशन में 20,000 केल्विन तक का तापमान। बुलबुला के आकार की स्थिरता बुलबुले के परिवेशी आकार की सीमा दोलन वाले बुलबुले के आकार में अस्थिरता की उपस्थिति से निर्धारित होती है। आकार स्थिरता सीमा रेडियल गतिशीलता में परिवर्तन पर निर्भर करती है, जो विभिन्न तरल चिपचिपाहट या ड्राइविंग आवृत्तियों के कारण होती है। यदि आवृत्ति कम हो जाती है, तो पैरामीट्रिक अस्थिरता को दबा दिया जाता है क्योंकि चिपचिपाहट का स्थिर प्रभाव गड़बड़ी को दबाने के लिए लंबा दिखाई दे सकता है। हालांकि, कम आवृत्ति वाले बुलबुले के गिरने से रेले-टेलर अस्थिरता की शुरुआत हो जाती है। जब बहुत अधिक दबाव नहीं लगाया जाता है तो बड़े बुलबुले को सोनोल्युमिनेसेंस दिखाने के लिए स्थिर किया जा सकता है। कम आवृत्ति पर जल वाष्प अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है। तरल पदार्थ को ठंडा करके बुलबुले को स्थिर किया जा सकता है, जबकि अधिक प्रकाश उत्सर्जित होता है। बुलबुला संलयन संदर्भ लुमिनेसेंस भी देखें।