La sonoluminescenza: un fenomeno fisico affascinante
Scritto da: Antonella Ravizza
Scienza e Fisica Quantistica | 27/02/2018
La sonoluminescenza: un fenomeno fisico affascinante
Non vi è mai capitato di vedere deboli flash di luce che
durano anche per qualche ora, senza alcuna alimentazione di corrente? A me è
capitato recentemente con delle lucine per gli addobbi natalizi, con una
particolare forma di stella, e ciò mi ha spinto a cercare di capire quale
misterioso fenomeno fisico ci fosse alla base: lucine accese senza corrente!?!
Non mi sembrava possibile, ma due lucine di una fila di circa 20, restavano
accese per qualche ora dopo aver tolto la corrente. Segue una possibile
spiegazione.
Che cos'è la sonoluminescenza
Già dai primi anni trenta del XX secolo si osservò un
fenomeno molto particolare e interessante che fu battezzato sonoluminescenza,
ma solo dal 1988 si incominciò a studiarlo con ricerche mirate. Il termine
deriva dalla fusione di due parole latine: sonus e lumen, che appunto
significano suono e luce. Il fenomeno può verificarsi con una piccola bolla di
gas immersa in un liquido che, collassando velocemente, emette luce (detta
sonoluminescenza a bolla singola SLBS) oppure con più bolle (sonoluminescenza a
bolle multiple SLBM). Più precisamente, quando una bolla di gas viene eccitata
dalla propagazione di ultrasuoni, può trasformare una frazione di energia
sonora in luce. Gli ultrasuoni, quando passano in un liquido, provocano la
formazione, la crescita e il collasso di microscopiche bolle. Le loro
oscillazioni possono provocare notevoli temperature e pressioni, simili a
quelle che si osservano nelle esplosioni.
Per una certa gamma di valori di alcuni parametri fisici,
come la temperatura del bagno o l’ampiezza di oscillazione della pressione, o
la quantità di gas sciolto nel liquido o il raggio della bolla, si verifica una
emissione di radiazione elettromagnetica che cade nella banda del visibile e
dell’ultravioletto. Quello che noi osserviamo è l'emissione di un flash di
luce; e tutto questo si ripete regolarmente alla frequenza acustica di
eccitazione (anche 25 mila volte al secondo) e anche per tempi molto lunghi, di
diverse ore. Ciò che appare ad occhio nudo, nel laboratorio oscurato, è un
puntino luminoso di colore bluastro al centro del piccolo risonatore di vetro
(è stato definito "stella in un bicchiere"). È bene precisare che gli
ultrasuoni sono onde meccaniche sonore con frequenza di vibrazione superiori a
quelle mediamente udibili dall’orecchio umano. La frequenza di riferimento è
20kHz. L’ultrasuono è ciò che è al di là del suono udibile.
Osservazioni e prove sperimentali
Le prime osservazioni del fenomeno della sonoluminescenza
risalgono al 1933 con l’osservazione di una lastra fotografica annebbiata
dall’immersione in un liquido che era stato agitato dagli ultrasuoni. Un anno dopo
all’università di Colonia riuscirono a riprodurre una luce nell’acqua, molto
debole ma visibile, usando appunto gli ultrasuoni. I due studiosi cercarono di
dare una spiegazione al fenomeno osservato, immaginando che fosse un fenomeno
di tipo elettrico, causato dal moto delle bolle, ma non approfondirono
l’argomento a causa dello scarso interesse generale. Le SLBM sono difficili da
studiare, perché emettono luce per pochi nanosecondi (un tempo brevissimo) e
sono in continuo movimento.
Nel 1988 si iniziò ad applicare la teoria allo studio del
moto acustico in una singola bolla. Una SLBS è più facile da studiare perché è
stazionaria, può essere stabile e incandescente per diversi minuti, quindi è
possibile studiare non solo la bolla, ma anche la luce emessa. Il fenomeno,
comunque, non è ancora molto noto e intorno ad esso si sono formate molte
teorie che non riescono però a spiegare in modo completo le proprietà della
sonoluminescenza. Ad esempio la teoria dell’onda d’urto è basata sul fatto che
la bolla resti sferica. In questo caso la luce potrebbe essere prodotta da due
diversi meccanismi: le alte temperature causate dal riscaldamento adiabatico
della bolla provocano la formazione del plasma e la ricombinazione delle
molecole provoca l’emissione luminosa oppure le alte temperature provocano una
produzione di un plasma relativamente freddo che emette luce per un processo
chiamato Bremsstrahlung (a causa delle collisioni tra elettroni produce uno
spettro molto vasto).
La teoria della formazione di jet è in opposizione alla
precedente: la bolla, mentre collassa, non resta sferica e deformandosi produce
al suo interno un cilindro di acqua detto jet che può viaggiare anche a 2500
km/h producendo, al momento della sua uscita dalla bolla, emissione di radiazione
elettromagnetica anche nello spettro visibile (luminescenza). La teoria della
solidificazione ad alte pressioni è simile alla teoria delle onde d’urto,
mentre la teoria dell’emissione indotta da collisione è totalmente nuova:
quando due molecole del gas contenuto nella bolla collidono o si avvicinano,
inducono un cambiamento nei dipoli di entrambi; sono la formazione e il
rilassamento di questi dipoli a causare l’emissione della luce.
C’è chi suppone invece che la luminescenza possa essere
un fenomeno di vuoto quantistico e c’è chi parla anche di fenomeni di fusione
nucleare. In effetti, così come la temperatura superficiale del Sole (meno di
6000° C) nasconderebbe temperature molto superiori presenti nel suo nucleo, si
potrebbe pensare che le temperature previste per le bolle della
sonoluminescenza ne caratterizzassero solo un guscio periferico: nel loro
nucleo si sarebbero potute registrare temperature sufficienti a promuovere, in
presenza delle giuste specie chimiche, processi di fusione nucleare. A questo
punto mi chiedo: ma le mie lucine di Natale, si saranno veramente accese per il
fenomeno della sonoluminescenza?
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Antonella Ravizza
