Mechanism of sonoluminescence
سونولیومینسینس ایک ایسا رجحان ہے جو اس وقت ہوتا ہے جب ایک چھوٹے سے گیس کے بلبلے کو صوتی طور پر معطل کیا جاتا ہے اور وقتا فوقتا الٹراسونک تعدد پر مائع کے محلول میں چلایا جاتا ہے، جس کے نتیجے میں بلبلے کا خاتمہ، کھوکھلی اور روشنی کا اخراج ہوتا ہے۔ بلبلے کے گرنے سے خارج ہونے والی تھرمل توانائی اتنی زیادہ ہوتی ہے کہ یہ روشنی کے کمزور اخراج کا سبب بن سکتی ہے۔ روشنی کے اخراج کا طریقہ کار غیر یقینی ہے، لیکن کچھ موجودہ نظریات، جن کی درجہ بندی تھرمل یا برقی عمل کے تحت کی گئی ہے، وہ ہیں بریمسٹراولنگ ریڈی ایشن، آرگون ریکٹیفیکیشن مفروضہ، اور ہاٹ اسپاٹ۔ کچھ محققین تھرمل عمل کی وضاحتوں کی حمایت کرنے لگے ہیں کیونکہ درجہ حرارت کے فرق کو سپیکٹرم تجزیہ کے مختلف طریقوں کے ساتھ مستقل طور پر مشاہدہ کیا گیا ہے۔ روشنی کے اخراج کے طریقہ کار کو سمجھنے کے لیے یہ جاننا ضروری ہے کہ بلبلے کے اندرونی حصے اور بلبلے کی سطح پر کیا ہو رہا ہے۔ موجودہ مسابقتی نظریات 1990 کی دہائی کے اوائل سے پہلے، سونولیومینسینس کے مختلف کیمیائی اور جسمانی متغیرات پر مطالعات ملٹی ببل سونولیومینسینس (ایم بی ایس ایل) کا استعمال کرتے ہوئے کیے گئے تھے۔ یہ ایک مسئلہ تھا کیونکہ تمام نظریات اور بلبلے کی حرکیات سنگل ببل سونولیومینسینس (ایس بی ایس ایل) پر مبنی تھیں اور محققین کا خیال تھا کہ پڑوسی بلبلوں کے بلبلے کے ارتعاش ایک دوسرے کو متاثر کر سکتے ہیں۔ سنگل ببل سونولیومینسینس 1990 کی دہائی کے اوائل تک حاصل نہیں کیا گیا تھا اور اس نے سنگل کیوٹیٹنگ ببل پر مختلف پیرامیٹرز کے اثرات کے مطالعہ کی اجازت دی تھی۔ بہت سے ابتدائی نظریات کی تردید کے بعد، بقیہ قابل فہم نظریات کو دو مختلف عملوں میں درجہ بند کیا جا سکتا ہے: برقی اور تھرمل۔ سنگل ببل سونولیومینسینس (ایس بی ایس ایل) ایس بی ایس ایل پڑوسی بلبلوں کے درمیان کم تعاملات کی وجہ سے ایم بی ایس ایل سے زیادہ روشنی خارج کرتا ہے۔ ایس بی ایس ایل کے لیے ایک اور فائدہ یہ ہے کہ ایک واحد بلبلہ آس پاس کے دیگر بلبلوں سے متاثر ہوئے بغیر گر جاتا ہے، جس سے صوتی کھوکھلی اور سونولیومینسینس نظریات پر مزید درست مطالعات کی اجازت ملتی ہے۔ کچھ غیر ملکی نظریات بنائے گئے ہیں، مثال کے طور پر 1992 میں شونگر سے جنہوں نے متحرک کاسیمیر اثر کو ممکنہ فوٹون اخراج کے عمل کے طور پر اشارہ کیا۔ کئی نظریات کا کہنا ہے کہ روشنی کے اخراج کا مقام بلبلے کے اندر کے بجائے مائع میں ہوتا ہے۔ ایس بی ایس ایل کے دیگر نظریات بتاتے ہیں کہ بلبلے میں زیادہ درجہ حرارت کی وجہ سے فوٹونوں کا اخراج ایم بی ایس ایل کے ہاٹ اسپاٹ نظریات سے مشابہت رکھتا ہے۔ تھرمل اخراج کے حوالے سے مختلف عملوں کی ایک بڑی قسم رائج ہے۔ چونکہ گرنے کے دوران درجہ حرارت کئی سو سے کئی ہزار کیلون تک بڑھ رہا ہے، اس لیے یہ عمل مالیکیولر ریکومبینیشن، تصادم سے پیدا ہونے والا اخراج، مالیکیولر اخراج، ایکسائمرز، ایٹم ریکومبینیشن، آئنوں کے ریڈی ایٹو اٹیچمنٹ، نیوٹرل اور آئن بریمسٹراولنگ، یا وائڈز میں محدود الیکٹرانوں سے اخراج ہو سکتے ہیں۔ ان میں سے کون سا نظریہ لاگو ہوتا ہے اس کا انحصار بلبلے کے اندر درجہ حرارت کی درست پیمائش اور حساب پر ہوتا ہے۔ ملٹی ببل سونولیومینسینس (ایم بی ایس ایل) سنگل ببل سونولیومینسینس کے برعکس، ملٹی ببل سونولیومینسینس بہت سے ارتعاش اور گرنے والے بلبلوں کی تخلیق ہے۔ عام طور پر ایم بی ایس ایل میں، ہر انفرادی بلبلے سے روشنی کا اخراج ایس بی ایس ایل کے مقابلے میں کمزور ہوتا ہے کیونکہ پڑوسی بلبلے ایک دوسرے سے تعامل کر سکتے ہیں اور ایک دوسرے کو متاثر کر سکتے ہیں۔ چونکہ ہر پڑوسی بلبلہ ایک دوسرے کے ساتھ تعامل کر سکتا ہے، اس لیے درست مطالعات تیار کرنا اور گرنے والے بلبلے کی خصوصیات کو نمایاں کرنا زیادہ مشکل ہو سکتا ہے۔ بلبلے کا اندرونی حصہ سونولیومینسینس کی تحقیق میں سب سے بڑی رکاوٹوں میں سے ایک بلبلے کے اندرونی حصے کی پیمائش حاصل کرنے کی کوشش کر رہا ہے۔ زیادہ تر پیمائش، جیسے درجہ حرارت اور دباؤ، ماڈلز اور بلبلے کی حرکیات کا استعمال کرتے ہوئے بالواسطہ طور پر ماپا جاتا ہے۔ درجہ حرارت ایس بی ایس ایل کے طریقہ کار کے بارے میں کچھ تیار شدہ نظریات کے نتیجے میں 6000 کے سے 20,000 کے تک چوٹی کے درجہ حرارت کی پیش گوئی ہوتی ہے۔ ان سب میں جو چیز مشترک ہے وہ یہ ہے کہ، a) بلبلے کا اندرونی حصہ گرم ہوتا ہے اور کم از کم اتنا ہی گرم ہو جاتا ہے جتنا کہ ایم بی ایس ایل کے لیے ماپا جاتا ہے، b) آبی بخارات بنیادی درجہ حرارت کو محدود کرنے والا عنصر ہے اور c) بلبلے کے اوپر اوسط درجہ حرارت 10,000 کے سے زیادہ نہیں بڑھتا ہے۔ بلبلے کی حرکیات یہ مساوات پانچ بڑے مفروضوں کا استعمال کرتے ہوئے بنائی گئی تھیں، جن میں سے چار تمام مساوات کے لیے مشترک ہیں: بلبلہ کروی رہتا ہے بلبلے کے مندرجات مثالی گیس کے قانون کی پابندی کرتے ہیں بلبلے کے اندر اندرونی دباؤ یکساں رہتا ہے کوئی بخارات یا سنکشیپن نہیں ہوتا ہے۔ پانچواں مفروضہ، جو بدلتا ہے۔ یہ مفروضے ماڈلز کو شدید حد تک محدود کرتے ہیں جب دھڑکن بڑی ہوتی ہے اور دیوار کی رفتار آواز کی رفتار تک پہنچ جاتی ہے۔ کیلر-میکسس تشکیل کیلر-میکسس تشکیل ایک ایسی مساوات ہے جو صوتی میدان میں پھنسے ہوئے بلبلے کے بڑے، شعاعی ارتعاش کے لیے اخذ کی گئی ہے۔ جب صوتی میدان کی تعدد بلبلے کی قدرتی تعدد کے قریب پہنچ جاتی ہے، تو اس کے نتیجے میں بڑے طول و عرض کے ارتعاش ہوں گے۔ کیلر-میکسس مساوات بلبلے سے آنے والی چپچپا پن، سطح کے تناؤ، واقعے کی آواز کی لہر، اور صوتی تابکاری کو مدنظر رکھتی ہے، جو پہلے لاؤٹربورن کے حسابات میں بے حساب تھی۔ لاؤٹربورن نے اس مساوات کو حل کیا کہ پلیسیٹ اور دیگر۔ بڑے ارتعاش کرنے والے بلبلوں کے ریلیگ کے اصل تجزیے سے ترمیم شدہ۔ کیلر اور میکسس نے مندرجہ ذیل فارمولا حاصل کیا: بلبلے کا رداس کہاں ہے، نقطے پہلی اور دوسری بار مشتقات کی نشاندہی کرتے ہیں، مائع کی کثافت ہے، مائع کے ذریعے آواز کی رفتار ہے، بلبلے کے انٹرفیس کے مائع پہلو پر دباؤ ہے، وقت ہے، اور وقت میں تاخیر سے چلنے والا دباؤ ہے۔ پروسپریٹی فارمولیشن پروسپریٹی نے مندرجہ ذیل مساوات کا استعمال کرتے ہوئے بلبلے کے اندرونی دباؤ کا درست تعین کرنے کا ایک طریقہ تلاش کیا۔ درجہ حرارت کہاں ہے، گیس کی تھرمل چالکتا ہے، اور شعاعی فاصلہ ہے۔ فلن کی فارمولیشن یہ فارمولیشن حرکات اور حرارت کی ترسیل، شیر وسکوسیٹی، کمپریسبلٹی، اور مائعوں میں چھوٹے cavitation بلبلوں پر سطح کے تناؤ کے اثرات کا مطالعہ کرنے کی اجازت دیتی ہے جو صوتی دباؤ کے میدان کے ذریعہ حرکت میں آتے ہیں۔ خندق کے بلبلے پر بخارات کے دباؤ کے اثر کا تعین انٹرفیسیل درجہ حرارت کا استعمال کرتے ہوئے بھی کیا جا سکتا ہے۔ فارمولیشن کو خاص طور پر بلبلے کی حرکت کو بیان کرنے کے لیے ڈیزائن کیا گیا ہے جو زیادہ سے زیادہ رداس تک پھیلتا ہے اور پھر پرتشدد طور پر گر جاتا ہے یا سکڑ جاتا ہے۔ مساوات کے اس سیٹ کو ایک بہتر اویلر طریقہ استعمال کرتے ہوئے حل کیا گیا تھا۔ بلبلے کا رداس کہاں ہے، نقطے پہلی اور دوسری بار مشتقات کی نشاندہی کرتے ہیں، مائع کی کثافت ہے، مائع کے ذریعے آواز کی رفتار ہے، بلبلے کے انٹرفیس کے مائع حصے پر دباؤ ہے، وقت ہے، اور ڈرائیونگ دباؤ ہے۔ ریلے-پلیسیٹ مساوات بلبلے کی حرکیات کا نظریہ 1917 میں لارڈ ریلے نے رائل نیوی کے ساتھ اپنے کام کے دوران شروع کیا تھا تاکہ جہاز کے پروپیلرز پر کھوپڑی کے نقصان کی تحقیقات کی جا سکے۔ کئی دہائیوں کے دوران ان کے کام کو ملٹن پلیسیٹ، اینڈریا پروسپریٹی اور دیگر نے بہتر اور تیار کیا۔ ریلیگ-پلیسیٹ مساوات یہ ہے: جہاں بلبلے کا رداس ہے، وقت کے حوالے سے بلبلے کے رداس کا دوسرا آرڈر مشتق ہے، وقت کے حوالے سے بلبلے کے رداس کا پہلا آرڈر مشتق ہے، مائع کی کثافت ہے، گیس میں دباؤ ہے (جسے یکساں سمجھا جاتا ہے)، پس منظر کا جامد دباؤ ہے، سینوسائڈل ڈرائیونگ دباؤ ہے، مائع کی چپچپا ہے، اور گیس مائع انٹرفیس کا سطح کا تناؤ ہے۔ بلبلے کی سطح گرنے والے بلبلے کی سطح جیسے ایس بی ایس ایل اور ایم بی ایس ایل دونوں میں نظر آتی ہے حل کے مائع اور بخارات کے مراحل کے درمیان باؤنڈری پرت کے طور پر کام کرتی ہے۔ جنریشن ایم بی ایس ایل کو مختلف حالات میں بہت سے مختلف حلوں میں دیکھا گیا ہے۔ بدقسمتی سے اس کا مطالعہ کرنا زیادہ مشکل ہے کیونکہ بلبلے کا بادل ناہموار ہے اور اس میں دباؤ اور درجہ حرارت کی ایک وسیع رینج ہو سکتی ہے۔ بلبلے کی متوقع نوعیت کی وجہ سے ایس بی ایس ایل کا مطالعہ کرنا آسان ہے۔ یہ بلبلہ اعتدال پسند دباؤ کی کھڑی صوتی لہر میں برقرار رہتا ہے، تقریبا 1.5 اے ٹی ایم۔ چونکہ کیویٹیشن عام طور پر ان دباؤوں پر نہیں ہوتا ہے اس لیے بلبلے کو کئی تکنیکوں کے ذریعے بویا جا سکتا ہے: نائکروم تار میں مختصر کرنٹ پلس کے ذریعے عارضی طور پر ابالنا۔ پانی کا ایک چھوٹا سا جیٹ ہوا کے بلبلوں کو متعارف کرانے کے لیے سطح کو پریشان کرتا ہے۔ فوکسڈ لیزر پلس کے ذریعے تیزی سے بننے والی بخارات کی گہا۔ کھڑے صوتی لہر، جس میں کنٹینمنٹ برتن کے مرکز میں پریشر اینٹی نوڈس ہوتے ہیں، بلبلوں کو تیزی سے ایک ریڈیئل طور پر ارتعاش کرنے والے بلبلے میں ضم ہونے کا سبب بنتی ہے۔ ایک بار جب ایک واحد بلبلہ کھڑی لہر کے دباؤ والے اینٹی نوڈ میں مستحکم ہو جاتا ہے، تو اسے بلبلے کو انتہائی غیر لکیری ارتعاش میں چلا کر روشنی کی دالوں کا اخراج کیا جا سکتا ہے۔ یہ صوتی لہر کے بڑھتے ہوئے دباؤ سے بلبلے کی مستحکم، لکیری نشوونما میں خلل ڈالنے کے لیے کیا جاتا ہے جس کی وجہ سے بلبلہ بھاگتے ہوئے رد عمل میں گر جاتا ہے جو صرف بلبلے کے اندر اس کے کم سے کم رداس پر زیادہ دباؤ کی وجہ سے پلٹ جاتا ہے۔ آفٹر باؤنسز منہدم ہونے والا بلبلہ زیادہ اندرونی دباؤ کی وجہ سے پھیلتا ہے اور اس وقت تک کم ہونے والے اثر کا تجربہ کرتا ہے جب تک کہ ہائی پریشر اینٹی نوڈ برتن کے مرکز میں واپس نہ آجائے۔ صوتی تابکاری قوت، بیجرکنز قوت، اور بلبلے کی بہاؤ قوت کی وجہ سے بلبلہ کم و بیش ایک ہی جگہ پر قابض رہتا ہے۔ سطح کی کیمسٹری حل میں موجود مختلف کیمیکلز کے گرنے والے بلبلے کی رفتار پر پڑنے والے اثرات کا حال ہی میں مطالعہ کیا گیا ہے۔ غیر مستحکم مائع جیسے سلفورک اور فاسفورک ایسڈ کو دکھایا گیا ہے کہ وہ بلبلے کی دیوار کی رفتار کو بہت سست کرتے ہوئے کئی نینو سیکنڈ کی مدت میں روشنی کی چمک پیدا کرتے ہیں، اور کئی ہزار گنا زیادہ روشنی کا اخراج پیدا کرتے ہیں۔ یہ اثر شاید ایس بی ایس ایل میں آبی محلول میں پانی کے مالیکیولز اور آلودگیوں کے ذریعے روشنی کے جذب ہونے سے چھپ جاتا ہے۔ سطح کا تناؤ ان نتائج سے یہ اندازہ لگایا جا سکتا ہے کہ ان مختلف مرکبات کے درمیان سطح کے تناؤ میں فرق خارج ہونے والے مختلف سپیکٹر اور وقت کے پیمانے کا ذریعہ ہے جس میں اخراج ہوتا ہے۔ ہلکا اخراج گرنے والے بلبلے کی جمود سے زیادہ دباؤ اور درجہ حرارت پیدا ہوتا ہے جو بلبلے کے حجم کے اندر عمدہ گیس کے ایک چھوٹے حصے کو آئنائز کرنے کے قابل ہوتا ہے۔ آئنائزڈ گیس کا یہ چھوٹا سا حصہ شفاف ہے اور حجم کے اخراج کا پتہ لگانے کی اجازت دیتا ہے۔ آئنائزڈ نوبل گیس سے آزاد الیکٹران دوسرے غیر جانبدار ایٹموں کے ساتھ تعامل کرنا شروع کر دیتے ہیں جس کی وجہ سے تھرمل بریمسٹرہلنگ تابکاری ہوتی ہے۔ سطح کا اخراج طویل مدت کے ساتھ روشنی کی زیادہ شدید چمک خارج کرتا ہے اور طول موج پر منحصر ہوتا ہے۔ تجرباتی اعداد و شمار سے پتہ چلتا ہے کہ صرف حجم کا اخراج سونولیومینسینس کے معاملے میں ہوتا ہے۔ جیسے جیسے صوتی لہر کم توانائی کے گرت تک پہنچتی ہے بلبلہ پھیلتا ہے اور الیکٹران آزاد آئنوں کے ساتھ دوبارہ مل سکتے ہیں اور روشنی کے اخراج کو روک سکتے ہیں۔ ہلکی نبض کا وقت نیک گیس کی آئنائزیشن توانائی پر منحصر ہوتا ہے جس میں ارجن کی ہلکی نبض 160 پکسیکنڈز ہوتی ہے۔ برقی عمل 1937 میں، روشنی کے اخراج کی وضاحتوں نے برقی اخراج کو ترجیح دی ہے۔ پہلے خیالات کیویٹیشن بلبلوں میں چارج کی علیحدگی کے بارے میں رہے ہیں، جنہیں مرکز اور دیوار پر چارج کے ساتھ کروی کیپسیٹرز کے طور پر دیکھا گیا ہے۔ گرنے پر، کیپیسیٹنس کم ہو جاتا ہے اور برقی خرابی ہونے تک وولٹیج بڑھ جاتا ہے۔ ایک اور تجویز بلبلے کی دیوار پر چارج کے اتار چڑھاؤ کو بڑھا کر چارج کی علیحدگی تھی، تاہم، بلبلے کی حرکیات کے توسیعی مرحلے کے دوران ایک خرابی واقع ہونی چاہیے۔ خارج ہونے والے مادہ کے ان نظریات کو یہ فرض کرنا پڑتا ہے کہ خارج ہونے والا بلبلہ غیر متناسب تباہی سے گزرتا ہے، کیونکہ متناسب چارج کی تقسیم روشنی کو خارج نہیں کر سکتی۔ تھرمل عمل کیونکہ بلبلے کا خاتمہ مائیکرو سیکنڈ کے اندر ہوتا ہے، ہاٹ اسپاٹ تھیوری بتاتی ہے کہ تھرمل توانائی ایک اڈیبیٹک بلبلے کے خاتمے کا نتیجہ ہے۔ 1950 میں یہ فرض کیا گیا تھا کہ ایک کروی متناسب بلبلے کے گرنے پر بلبلے کا اندرونی درجہ حرارت 10,000 K تک زیادہ تھا۔ 1990 کی دہائی میں، سونولیومینسینس سپیکٹرا کا استعمال سوسلک نے 5000 K کے بلبلے کے بادلوں (ملٹی ببل سونولیومینسینس) میں موثر اخراج کے درجہ حرارت کی پیمائش کے لیے کیا تھا، اور حال ہی میں سنگل ببل کیوٹیشن میں 20,000 K تک کا درجہ حرارت۔ بلبلے کی شکل کا استحکام بلبلے کے ماحول کے سائز کی حد ارتعاش کرنے والے بلبلے کی شکل میں عدم استحکام کی ظاہری شکل سے طے ہوتی ہے۔ شکل کے استحکام کی حد کا انحصار شعاعی حرکیات میں ہونے والی تبدیلیوں پر ہوتا ہے، جو مختلف مائع چپچپا یا ڈرائیونگ تعدد کی وجہ سے ہوتا ہے۔ اگر تعدد کم ہو جائے تو پیرامیٹرک عدم استحکام کو دبا دیا جاتا ہے کیونکہ چپچپا پن کا مستحکم اثر پریشانیوں کو دبانے کے لیے زیادہ دیر تک ظاہر ہو سکتا ہے۔ تاہم، کم تعدد سے چلنے والے بلبلوں کے گرنے سے ریلیگ-ٹیلر عدم استحکام کے ابتدائی آغاز کی حمایت ہوتی ہے۔ جب بہت زیادہ دباؤ نہیں لگایا جاتا ہے تو بڑے بلبلوں کو سونولیومینسینس ظاہر کرنے کے لیے مستحکم کیا جا سکتا ہے۔ کم تعدد پر پانی کا بخارات زیادہ اہم ہو جاتا ہے۔ بلبلوں کو سیال کو ٹھنڈا کرکے مستحکم کیا جا سکتا ہے، جبکہ زیادہ روشنی خارج ہوتی ہے۔ ببل فیوژن حوالہ جات روشنی بھی دیکھیں