Διερεύνηση του φαινομένου της ηχοφωταύγειας: Πειραματική διάταξη και εφαρμογές

Abstract

Η ηχοφωταύγεια είναι το συναρπαστικό φαινόμενο κατά το οποίο μία φυσαλίδα αέρα μέσα στο νερό ή σε ένα άλλο υγρό μετατρέπει την ακουστική ενέργεια σε ορατό φώς. Η φυσαλίδα ακτινοβολείται με υπερήχους συγκεντρώνοντας την ακουστική ενέργεια που λαμβάνει από τους υπερήχους κατά περίπου δώδεκα τάξεις μεγέθους, όταν και καταρρέει βίαια εκπέμποντας ένα θολό μπλε φώς το οποίο είναι ορατό με γυμνό μάτι. Το φαινόμενο αυτό έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας τα τελευταία χρόνια και ένα μεγάλο ποσοστό έρευνας αφιερώνεται σ’ αυτό. Επίσης μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι εφαρμογές του κυρίως στα πεδία της ιατρικής και της ενέργειας. Αναμφισβήτητα το φαινόμενο της ηχοφωταύγειας είναι ένα φαινόμενο με μεγάλες προοπτικές το οποίο θα απασχολήσει ακόμα πιο έντονα την επιστημονική κοινότητα και όχι μόνο στο μέλλον. Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήθηκε το φαινόμενο της ηχοφωταύγειας τόσο από θεωρητική άποψη όσο και από πειραματική. Επίσης έγινε μια αναφορά στις εφαρμογές της ηχοφωταύγειας αλλά και κάποιες προτάσεις για την μελλοντική της μελέτη. Αρχικά έγινε μια λεπτομερής θεωρητική μελέτη του φαινομένου που περιλάμβανε μια ιστορική αναδρομή, από την ανακάλυψη του φαινομένου μέχρι σήμερα. Μελετήθηκε η δυναμική της ακτίνας της φυσαλίδας και οι εξισώσεις που την περιγράφουν, έγινε μια αναφορά στο σύνολο των παραμέτρων της ηχοφωταύγειας μιας φυσαλίδας και καταγράφηκαν οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Επίσης μελετήθηκαν και καταγράφηκαν οι μηχανισμοί που προσπαθούν να εξηγήσουν την προέλευση της εκπομπής του φωτός. Αν και κάποιες θεωρίες είναι αρκετά συνεπής η ακριβής προέλευση του φωτός δεν έχει διευκρινιστεί επακριβώς ακόμα μέχρι και σήμερα. Στη συνέχεια αφού συλλέχθηκαν τα απαραίτητα υλικά και εξοπλισμός, συναρμολογήθηκε η πειραματική διάταξη και στην συνέχεια εκτελέστηκε η πειραματική διαδικασία και καταγράφηκαν τα αποτελέσματα και οι παρατηρήσεις. Στην παρούσα διπλωματική περιγράφεται λεπτομερώς τόσο η συναρμολόγηση της πειραματικής διάταξης όσο και η εκτέλεση της πειραματικής διαδικασίας, καθιστώντας την έτσι ένα πολύ καλό οδηγό για όποιον θέλει να επαναλάβει το πείραμα αυτό στο μέλλον. Εδώ αξίζει να αναφερθεί ότι ο εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε είναι αρκετά απλός και μπορεί εύκολα να βρεθεί στα ράφια ενός εργαστηρίου ή κάποιου εκπαιδευτικού ιδρύματος, επιτρέποντας έτσι σε οποιοδήποτε ενδιαφερόμενο να εκτελέσει το πείραμα.

Sonoluminescence is the exciting phenomenon in which a bubble of air inside water or any other liquid converts acoustic energy to visible light. The bubble is radiated with ultrasounds concentrating the acoustic energy it receives by the ultrasounds at about twelve orders of magnitude, at that point the bubble collapses violently emitting a faint blue light which can be seen with a naked eye. This phenomenon has attracted the interest of the scientific community the last years and a great proportion of research is dedicated to this. Also the applications of sonoluminescence are of great interest, especially at the fields of medicine and energy. Undoubtedly the phenomenon of sonolumonescence is a phenomenon with great prospects which will occupy even more the scientific community to the future. The scope of this thesis is the study of the sonoluminescence phenomenon theoretically and experimentally. Furthermore in this thesis is made a repetition of the applications of sonoluminescence, and also some suggestions for its future study. Initially there was a detailed theoretical study of the phenomenon which included a historical overview, from the discovery of the phenomenon until nowadays. Then the bubble radius dynamics and the equations that describe them were studied, also a report to the parameter range of single bubble sonoluminescence was made and the factors that affect it were recorded. Furthermore the mechanisms and theories that try to explain the origin of the light emission were studied and recorded. Although some of those theories are very consistent, the exact mechanism that lies behind the origin of the emitted light is not fully understood until nowadays. Then having collected the necessary equipment and material, the experimental apparatus was assembled and the experimental procedure was executed, the results and observations were recorded. At the present thesis the assembly of the experimental apparatus and the execution of the experimental procedure are described very detailed, making it a very good guide for anyone who wants to repeat the experiment to the future. It is worth mentioning that the equipment used here is quite simple and can be found easily to the shelves of any lab or educational institution, allowing thus to anyone who is interested to execute the experiment.