Sonoluminescence - Définition

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La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont on fait varier le diamètre grâce à des ultrasons.

Historique

L'effet fut découvert à l'université de Cologne en 1934 par H. Frenzel et H. Schultes, lors d'une expérience portant sur le sonar. Les premières expériences sur le sujet remontent à 1917, quand la Royal Navy britannique demande au physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la...) Lord Rayleigh de comprendre pourquoi les hélices des navires subissent des dommages inexpliqués.

Dans les années 1980, Filipe Gaitan et Lawrence Crum arrivent à produire une bulle sonoluminescente unique.

En 2005, l'expérience de D. Flannigan, mettant en jeu une bulle d'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) immergée dans de l'acide sulfurique (L'acide sulfurique (anciennement appelé huile de vitriol ou vitriol) est un composé...) a permis de mesurer la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) atteinte au cœur de la bulle.

Explications

L'explication théorique de ce phénomène reste aujourd'hui sujet d'étude. Les calculs réalisés depuis la découverte du phénomène semblent indiquer que malgré les conditions de température et de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) passablement inhabituelles au cœur de la bulle lors de son effondrement (la petite onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...) échauffe fortement le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) contenu dans la bulle), la production de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) ne devrait pas intervenir.

De gauche à droite : apparition de la bulle, expansion lente de son enveloppe, contraction rapide et émission de lumière
De gauche à droite : apparition de la bulle, expansion lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) de son enveloppe, contraction rapide et émission de lumière

On ne sait pas dire aujourd'hui si cet écart entre théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) et observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) tient aux imprécisions des modèles connus quand on les porte à des conditions extrêmes comme celles de la sonoluminescence (La sonoluminescence est le phénomène par lequel des photons sont émis par des bulles de gaz dont...) ou si un phénomène qui n'a pas été envisagé jusque là est à l'œuvre.

En 2002, un physicien envisageait une réaction de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...) (voir fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) froide), déclenchée par l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...), mais ces résultats n'ayant pas pu être reproduits, ils restent très critiqués par la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...).

L'expérience de D. Flannigan a permis de démontrer que la température au cœur de la bulle atteint 15 000 kelvins, soit l'équivalent de la température à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une...). La bulle d'argon est, par ailleurs, mille fois plus luminescente qu'une bulle produite dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). On a également découvert de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) ionisé en surface de la bulle. L'hypothèse de la présence d'un plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions...) au cœur de la bulle expliquerait cette ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...).

D'après les expériences des chercheurs américain Rusi Taleyarkhan (université de Purdue, Indiana) et Richard Lahey (Institut polytechnique Rensselaer de Troy, État de New York), il semble que la température au centre des bulles puisse atteindre 10 millions de degrés. Ils auraient enregistré l'emission de neutrons à 2.5 MeV et decelé la présence de tritium (Le tritium (T ou 3H) est - comme le deutérium - l'un des isotopes de l'hydrogène. Il...) après la réaction.

Propriétés

La sonoluminescence peut arriver ou non quand une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) sonore d'intensité suffisante fait se contracter rapidement une cavité gazeuse présente dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...). Cette cavité peut prendre la forme d'une bulle, mais peut être générée au cours d'un processus nommé cavitation (La cavitation (lat. Cavus qui signifie « Trou ») est un phénomène qui...). La sonoluminescence en laboratoire peut être rendue stable: une unique bulle s'étend puis se contracte continuellement de manière périodique, en émettant un éclair lumineux à chaque contraction. Pour cela, une onde sonore est émise dans un liquide, et la pression de la bulle dépendra de cette onde. Les fréquences de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) dépendent de la taille et de la forme du récipient dans lequel la bulle est contenue.

Quelques informations sur la sonoluminescence:

  • Les flash lumineux émis par les bulles sont extrémement courts, entre 35 et quelques centaines de picosecondes, avec des pics d'intensités de l'ordre de 1 mW à 10 mW.
  • Les bulles sont très petites quand elles émettent la lumière, autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). Ceci dépend du fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) ambient (par exemple, de l'eau) et du gas contenu dans la bulle (par exemple, de l'air).
  • La sonoluminescence à bulle unique peut avoir des périodes et des diamètres très stables. Cependant, l'analyse de la stabilité d'une bulle montre que la bulle est elle-même soumise à d'importantes instabilités géométriques, à cause des forces de Bjerknes et des instabilités de Rayleigh-Plesser.
  • En ajoutant une petite quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) d'un gaz noble (On appelle gaz nobles, ou plus couramment gaz rares, les éléments chimiques du groupe 18...) (comme l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...), l'argon, ou le xénon) au gaz de la bulle, on peut augmenter l'intensité de la lumière émise.

La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde de la lumière émise est très courte, son spectre peut atteindre l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...). Plus la longueur d'onde de la lumière est faible, plus son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) est élevée. La mesure du spectre de la lumière laisse présumer une température dans la bulle d'au moins 20 000 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température...) et jusqu'à une température dépassant le mégakelvin. La véracité de ces estimations est remise en question par le fait que l'eau, par exemple, absorbe à peu près toutes les ondes en dessous de 200nm. Ceci a mené à diverses estimations de la température de la bulle, car elle peut être extrapolée depuis le spectre d'émission obtenu durant la contraction, ou estimée en utilisant l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) de Rayleigh-Plesset (voir après). Certaines estimations portent l'intérieur de la bulle à un gigakelvin. Ces estimations sont basées sur des modèles qui ne peuvent pas être vérifiés aujourd'hui.

Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...)

Le mouvement de la bulle s'apparente à une première approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...), l'équation de Rayleigh-Plesset :

R\ddot{R}+\frac{3}{2}\dot{R}^{2}=\frac{1}{\rho}\left(p_g-P_0-P(t)-4\eta\frac{\dot{R}}{R}- \frac{2\gamma}{R}\right).

Cette approximation découle des équations de Navier-Stokes (En mécanique des fluides, les équations de Navier-Stokes sont des équations aux dérivées...) et décrit le comportement d'une bulle d'un rayon R en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) t. Le facteur η est la viscosité (La viscosité (du latin viscum, gui) peut être définie comme la résistance...), p la pression et γ la tension (La tension est une force d'extension.) de surface.

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