Nur heiße Luft
Sonolumineszenz: Temperatur durch Ultraschall komprimierter Gasblasen aus Lichtemissionsspektren bestimmen
Die Sonolumineszenz einzelner Bläschen ist schon seit 15 Jahren erforscht, der Effekt selbst ist seit Jahrzehnten bekannt. Unklar war bislang, wie hohe Temperaturen sich dabei erzielen lassen, die Rede war von Temperaturen der Größenordnung des Sonnenzentrums, die möglicherweise für eine Kernfusion ausgereicht hätten -- dort ist es 15 Millionen Kelvin heiß. Forscher haben Emissionsspektrum einzelner Argon-Bläschen in Schwefelsäure aufgenommen und aus diesen auf eine Temperatur von bis zu 15000 Kelvin geschlossen.
Sonolumineszenz bezeichnet das Leuchten von Kavitationsblasen, die sich unter Einwirkung von Ultraschall einer Frequenz zwischen 20 und 40 Kilohertz in Flüssigkeiten bilden. Kavitationsblasen expandieren und kontrahieren entsprechend der Frequenz der Schallwellen. Beim Kontrahieren heizen sie sich auf. Wegen der hohen Temperatur leuchtet das in den Bläschen eingeschlossene Gas, bisherige Abschätzungen legten Temperaturen über denen der Oberfläche der Sonne -- dort ist es 5700 Kelvin warm -- nahe. Eine Arbeitsgruppe der amerikanischen Großforschungseinrichtung Oak Ridge will vor drei Jahren sogar Kernfusion beobachtet haben; das ließe auf Temperaturen von weit über einer Million Kelvin schließen, jedoch konnten andere Forscher diese Ergebnisse bisher nicht bestätigen. Dennoch erscheint die Bildung eines Plasmas -- das ist ionisierte Materie -- möglich.
Wie heiß ist nun also die heiße Luft? Die Temperatur einer heißen Kochplatte lässt sich an ihrer Farbe erkennen; je heller das Rot, desto heißer ist sie, sinngemäß gilt das für Lampen, deren Wolframfaden hellgelb leuchtet. Sterne, deren Oberfläche deutlich heißer als die der Sonne ist, leuchten blassblau.
Auf ähnliche Weise lässt sich die Temperatur einer leuchtenden, kollabierenden Glasblase abschätzen, und zwar durch ein Kurvenanpassungsprogramm mittels der Planckschen Strahlungsformel der Schwarzkörperstrahlung, die Temperatur ist hier der anzupassende Parameter. Noch präziser gelingt das mit einem tiefer gehenden Ansatz: Aus den Linienintensitäten des Emissionsspektrums lässt sich die Temperatur genauer ermitteln. Beim hier beschriebenen Experiment bestimmt die intensive Linienstrahlung der hoch angeregten Argon-Atome die Farbe, sie leuchten dunkelrot.
Wissenschaftler der Universität von Illinois haben die Temperatur von Argon-Bläschen in Schwefelsäure bei Einstrahlung von Ultraschallwellen zu 15000 Kelvin bestimmt, wie sie in der Ausgabe vom 3. März 2005 der Zeitschrift Nature in Band 434 auf Seite 52 berichten. Argon ist ein Edelgas und lässt sich nicht zu Schwingungen und Vibrationen anregen, was hier ein unerwünschter Effekt wäre.
Ferner schließen die amerikanischen Forscher aus der Intensitätsverteilung ihrer Spektren auf die Bildung eines Plasmas in den Gasbläschen, die Temperatur sei nicht hoch genug, um einen nennenswerten Anteil der Argon-Atome anzuregen, es ist eine Energie von mindestens 13 Elektronenvolt nötig; anscheinend regen schnelle Elektronen die Argon-Atome an. Zudem beobachteten sie Emissionsspektren angeregter Molekülionen, die nur von Elektronenstößen herrühren könnten, da ihre Dissoziationsenergie deutlich unter der Ionisierungsenergie liegt und thermische Vorgänge somit nicht in Frage kommen. Das sei ein weiterer Beleg fürs Vorhandensein eines Plasmas.
