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News: Und höre, es ward Licht!

Genau zehn Jahre ist es nun her, daß die Welt im wahrsten Sinne des Wortes das Licht eines überraschenden Phänomens erblickte: Ein einzelnes Bläschen, das Ultraschall ausgesetzt war, sandte Strahlung mit bemerkenswerten Eigenschaften aus. Zwar handelte es sich nicht um eine gänzlich neues Erscheinung, denn die Erzeugung von Licht mittels Schall (Sonolumineszenz) war bereits seit längerem bekannt, aber ein einzelnes Bläschen war bis dahin noch nie auf eine solche Weise kontrolliert worden. Jetzt erst haben Physiker eine Erklärung für diese Leuchterscheinung gefunden, die in der Lage ist, die Dynamik des Bläschens und die Charakteristika der emittierten Strahlung hinreichend zu beschreiben.
Die sogenannte single-bubble sonoluminescence (SBSL) wurde 1989 von Felipe Gaitan von der University of Mississippi entdeckt, als er eine neue Apparatur justieren wollte, die zur Untersuchung akustisch erzeugter Bläschen in Wasser dienen sollte. Zu seiner Überraschung wies das Bläschen einen scheinbar kontinuierlich emittierenden Lichtpunkt auf. Bei Untersuchung mit einem geeigneten Photodetektor zeigte sich jedoch, daß das Licht nicht kontinuierlich, sondern vielmehr in extrem kurzen Blitzen ausgesandt wurde und das 20 000mal in der Sekunde. Als weitere bemerkenswerte Eigenschaft stellte sich eine Dauer und Synchronizität aufeinanderfolgender Pulse der einzelnen Blitze in einer zeitlichen Größenordnung von fünfzig Billionstel Sekunden heraus.

Seit dieser Entdeckung haben viele Forschergruppen versucht, die SBSL zu erklären und herauszufinden, ob sich hinter dieser Erscheinung bislang unbekannte Physik verbirgt. Physiker der Philipps-Universität Marburg haben nun eine einfache Erklärung geliefert, deren Formulierung jedoch alles andere als einfach war. In Nature vom 1. April 1999 präsentieren Detlef Lohse, nun Professor an der Universität Twente (Niederlande), Siegfried Grossmann und Sascha Hilgenfeldt, ihre theoretischen Berechnungen, die sehr gut mit den gemessenen Daten übereinstimmen.

Die Schwierigkeit, die die Wissenschaftler dabei überwinden mußten, lag in der Vereinigung der Beschreibungen extrem unterschiedlicher Energie- und Zeitskalen, sowie der zu berücksichtigenden physikalischen Prinzipien. Lohse und seinen Kollegen gelang die Beschreibung der SBSL innerhalb einer hydrodynamisch-chemischen Betrachtungsweise ohne Annahme neuer physikalischer Effekte.

Dabei läßt sich ihre Erklärung, die den aufwendigen Rechnungen zugrunde liegt, kurz folgendermaßen skizzieren: In der verdünnenden Phase der sich in Richtung der Schallwellenfront ausbreitenden Dichtschwankungen wächst das Bläschen von etwa fünf auf ungefähr siebzig Mikrometer an. Wirkt das Schallfeld wieder komprimierend, fällt das scheinbar leere Bläschen – angetrieben durch die Trägheit des umgebenden Wassers – wieder in sich zusammen. Während der gesamten Kollapsphase behält es seine sphärische Symmetrie bei und vergrößert seine interne Energiedichte. Mit Beschleunigung des Kollapses wird das Restgas im Bläscheninneren so weit zusammengepreßt, daß die Temperatur auf 20 000 bis 30 000 Kelvin ansteigt. Indem die Wissenschaftler aufspürten, wie sich die Energie auf die Bestandteile des entstehenden Plasmas – Ionen, neutrale Atome und freie Elektronen – verteilt, läßt sich nun verstehen, wie der umgekehrte Vorgang der Lichtemission und -löschung geschieht, wenn die Energiedichte des expandierenden Bläschen wieder reduziert wird und es zur Emission von Photonen kommt.

Die Berechnungen der drei Physiker weichen im Bereich kleiner Intensitäten nur um fünf Prozent von den gemessenen Werten ab und können somit als Grundlage für weitere verfeinerte Modelle zur SBSL dienen. Das Studium dieses Phänomens dürfte auch weiterhin von besonderem Interesse sein, da es eine Vielzahl physikalischer Teilbereiche wie Akustik, Strömungsphysik, Thermodynamik, Plasma- und Quantenphysik unter höchst dynamischen Bedingungen vereint. Außerdem lassen sich mit vergleichsweise einfachen Mitteln extreme Temperatur- und Druckverhältnisse schaffen, die in ferner Zukunft vielleicht sogar in die Bereiche der Kernfusionsphysik vorstoßen könnten.

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