Rätsel in der Physik: Sonolumineszenz

Kommentare deaktiviert

Seifenblasen bei Nacht. Leuchten auch irgendwie, haben aber nichts mit Sonolumineszenz zu tun. Aber warum sollten wir nur deswegen auf Seifenblasen verzichten?

Rätsel gibt es in der Welt viele. Manche sind bunt, manche kommen in Kästchen und ganz viele sind in der Natur draußen vor eurer Tür. Letztere sind uns die liebsten, denn neben der frischen Luft fühlt man sich nach der Lösung auch immer ein bisschen gut und zufrieden.
Sonolumineszenz ist eines dieser Rätsel, wobei es nicht um den verrückten Namen geht. Der sagt nämlich nur aus, dass Schall (Sono) und Leuchten (Lumineszenz) zusammenkommen. Zum schnuckeligen Physiker-Wohlbefinden fehlt aber noch etwas1.

So ähnlich sah es wohl bei der Entdeckung der Sonolumineszenz aus: viele leuchtende Punkte im Wasser.

Worum geht es also konkret? 1934 hat man bei der Entwicklung von Sonar — ein Ortungssystem mittels Schall unter Wasser — einen lustigen Nebeneffekt festgestellt: Bei der richtigen Ultraschallfrequenz fangen im Wasser kleine Punkte an aufzublitzen. Die Punkte waren kollabierende Gasbläschen, soviel hatte man erkannt. Warum sie aber leuchteten konnte man sich nicht erklären. Wenn man die Punkte eben nur in einer Langzeitbelichtung sieht macht es das schwierig genaueres herauszufinden.

Erst vor illuminatösen 23 Jahren2 war man dann soweit, dass man einzelne Gasbläschen beobachten konnte, indem man sie in eine stehende3 Ultraschallwelle einschloß. Und weil Schall nichts anderes ist als ein hin und her von hohen und niedrigen Drücken konnte das Gasbläschen rhytmisch wie bei einer Herz-Lungen-Massage komprimiert werden.
Dieses kontrollierte Pulsieren kann man jetzt auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abstimmen, so dass die Gasblase sehr stark zusammengedrückt wird. Während das Bläschen zusammengedrückt wird bleibt der Inhalt, also das Gas, innerhalb der Blase und der Druck steigt.

Wir betrachten hier gerade einzelne Bläschen, also eine Single-Bubble Sonoluminescence (SBSL). Die momentan favorisierte Theorie dafür bringt die Bläschen zum leuchten, indem man die Intensität der Schallwelle erhöht und somit auch die Geschwindigkeit, mit der die Blase schrumpft. Das wiederum sorgt für steigende Temperaturen, bis in den Bereich von 10 000 Kelvin. Bei dieser Temperatur fängt nicht nur der regelmäßige Saunagänger ordentlich an zu schwitzen, es wird auch ein Teil des Gases ionisiert.

Ionisiert heißt, dass der Verbund von Elektronen und Atomkernen (teilweise) aufgelöst wird und die Elektronen frei umherschwirren.4 Das ist wie bei der Waschmaschine: durch das Chaos der Wäsche werden Sockenpaare voneinander getrennt und in der Sockenschublade sind dann nur noch einzelne Socken.
Die hohe Temperatur bleibt aber nicht bestehen, so dass es irgendwann keinen Grund mehr für die Elektronen gibt, sich alleine in die weite Welt aufzumachen. Sie rekombinieren also wieder mit ihren Mutterkernen. Und genauso, wie ihr euch auch freut, wenn ihr zwei passende Socken gefunden habt, gibt das System aus Elektron und Atomkern beim Rekombinieren einen Ausstoß von Freude frei: ein kleiner Lichtblitz.

Eine im Labor nachgestellte Single-Bubble Sonoluminescence (SBSL).

Und tadaa! Da haben wir unser Licht! Es ist ein ca. 160 Picosekunden langer Lichtblitz, der von der Rekombination von freien Elektronen mit einem Argon-Kern stammt. Jedenfalls ist Argon von den Edelgasen jenes mit dem größten Anteil in Luft, immerhin fast 1% und damit direkt nach Stickstoff und Sauerstoff.

Hört sich alles gut an, oder? Jap, nur ist die Theorie, die dahinter steckt, nicht ganz so einfach zu fassen. Man muss ja immer an alles mögliche dabei denken. Und wer sagt, dass das überhaupt der Grund dafür ist? Es gibt zum Beispiel auch eine andere spannende Erklärung, die — *Trommewirbel* — Vakuumpolarisation benutzt. Vakuumpolarisation meint, dass durch die Unschärferelation für eine sehr kurze Zeit Teilchen entstehen5 und direkt wieder verschwinden können. Weil die Gasblase sich sehr schnell ändert, könnten aus den bisher sogenannten virtuellen Teilchen reelle werden — unter anderem Photonen, die dann auf dem Belichtungsfilm einen Punkt hinterlassen.
Weil das der erste Effekt wäre, bei dem Vakuumpolarisation direkt sichtbar wäre, ist diese Erklärung natürlich besonders reizvoll. Richtig ist sie deswegen noch nicht unbedingt.

Und dann ist da noch die Sache mit den einzelnen Bläschen: der ursprüngliche Effekt war mit vielen kleinen Bläschen (Multi-Bubble Sonoluminescence, MBSL), erklärt haben wir aber nur die SBSL. Es gibt also noch etwas Forschungsarbeit zu tun…

Jetzt fragt ihr natürlich vollkommen zurecht: Schön, leuchtende Gasbläschen. Und jetzt? Können wir damit zum Mond Mars fliegen? Oder wenigstens die Straßenbeleuchtung unserer zukünfigen Unterwassermetropole betreiben? Nee, leider nicht. Aber etwas sehr ähnliches kommt tatsächlich in der Natur vor.
Eine Krebsart, die Knallkrebse6 (Alpheidae), benutzen ihre zuschappenden Scheren als Waffe zum Betäuben. Weil durch das Zuschnappen eine Druckwelle erzeugt wird. Hättet ihr jetzt auch so vermutet, oder? Wir geben zur Erklärung des Effekts mal kurz an die Kollegen der BBC ab:


DirektKnaller

Das Licht, was bei der Sonolumineszenz entsteht, ist ihnen also herzlich egal. Sie arbeiten schließlich mit ihren schnappenden Scheren, die eine enorme Druckwelle erzeugen7 und damit Fische lahmlegen. Trotzdem, quasi als Nebenprodukt, können die Knallkrebse auch sonolumineszenz-ähnliche Effekte erzeugen.
Beim Zuschnappen können durch Kavitätseffekte kleine Bläschen an der Schere entstehen, die anschließend Kollabieren und Licht freisetzen. Also genauso wie die Forscher im Labor.

Wenn ihr jetzt nicht wisst, was Kavitation ist, kein Problem. Wir haben da ein Beispiel für euch: Eine unter Wasser abgefeuerte Pistole…


KomplettUnterwasserKnaller

So, damit wären wir auch schon am Ende mit unserem Physikrätsel für heute. Ihr dürft euch jetzt wieder mit Kraulen von Katzen, Kämmen von Koalabären oder Pieksen von Pinguinen beschäftigen.

Bonustrack: Wo wir gerade bei Kavitation waren — bei der What-If-Reihe von xkcd gab es letztens ein paar Überlegungen zu kollabierenden Vakuumblasen. Sehr interessant!
Glass Half Empty @ whatif.xkcd.com

  1. Wir meinen keine Katzen! []
  2. Unsere Rechenfüchse werden es erkannt haben: 1989. []
  3. Stehende Welle heißt, dass an immer gleichen Punkten im Raum die Intensität ihr Maximum bzw. Minimum einnimmt. Bei normalen Wellen laufen diese Maxima einfach weg, erst durch geschickte Reflexion bekommt man das hin. []
  4. Und wie das mit freien Elektronen halt ist: die produzieren Bremsstrahlung, genauso wie in der Röntgenröhre. Nur sieht man auch bei einer Röntgenröhre kein Licht, das ist also noch nicht die Erklärung für das Leuchten der Bläschen. []
  5. Im Vakuum kann theoretisch eine Katze und eine Anti-Katze aus dem nichts entstehen. Dafür muss aber Energie aufgewendet werden, die in die Massen unseres Katzenpäärchens geht. Nach Heisenberg ist ΔE·Δt > h und somit wird die Lebenszeit den Katzenliebhabern leider nicht gefallen. []
  6. Habt ihr jetzt auch zuerst Knallerbse gelesen? []
  7. 190 Dezibel bezogen auf 1 Mikropascal in einem Meter Entfernung! Da sollte das Ordnungsamt mal lieber einschreiten… []
Kurzlink
Kategorien: Erklärbär, Experimentatives, Reales
Tags: , , , , , , , , , , , ,

Die Kommentarfunktion ist geschlossen.