THEORETISCH MODEL BIEDT VERKLARING VOOR SONOLUMINESCENTIE

Tien jaar na de eerste waarnemingen is er een bevredigende verklaring gevonden voor single bubble sonoluminescentie (SBSL). Bij dit exotische verschijnsel implodeert en expandeert een enkele dampbel in water in de maat met een uitwendige ultrasone geluidsgolf. Het ineenstorten verloopt daarbij zo krachtig dat bij iedere cyclus een lichtflitsje wordt uitgezonden. Speculaties dat zich hier `nieuwe fysica' manifesteert, of dat er sprake is van kernfusie, zijn nu ontzenuwd door een theoretisch model dat er als eerste in slaagt de gemeten eigenschappen van het licht kwantitatief goed te verklaren (Nature, 1 april).

Sonoluminescentie is in 1934 voor het eerst in een Keuls laboratorium gezien. Maar pas in 1989 slaagde de Amerikaanse onderzoeker Felipe Gaitan erin een opstelling te bouwen waarmee geluid in een kolf met water niet een hele trits (onhandelbare) bubbels tegelijk produceerde, maar slechts één. Voor het eerst kon fatsoenlijk aan het verschijnsel worden gemeten. Dure apparatuur kwam er niet aan te pas. In 1995 bood Scientific American in zijn rubriek `the amateur scientist' de handige knutselaar een handleiding: voor zo'n 100 dollar kon hij de flitsen zelf opwekken.

Meten aan het verschijnsel vergt wel kostbare apparatuur. Dat komt doordat de lichtflitsen slechts enkele tientallen picoseconden duren: biljardsten van een seconde. Aan het begin van zijn cyclus is de bel ongeveer 5 micrometer groot (een micrometer is een duizendste millimeter). Onder invloed van de geluidsgolf (afwisselend verdikkingen en verdunningen die zich in het water voortplanten) zwelt deze tot 70 micrometer, om vervolgens ineen te storten tot 0,5 micrometer. Bij deze compressie loopt de temperatuur in de bel op tot 20.000 à 30.000 graden – op een manier die vergelijkbaar is met het opwarmen van de lucht in een fietspomp. Vooral de groep van Seth Putterman uit Los Angeles wist met lasers de karakteristieken van de lichtflitsjes nauwkeurig vast te stellen. Daarbij bleek de aanwezigheid van edelgas in de bel (argon, xenon of helium) cruciaal.

De verklaring waarmee Sascha Hilgenfeldt, Siegfried Grossmann en Detlef Lohse (respectievelijk verbonden aan Harvard University, Universität Marburg en de Universiteit Twente) het mysterie hebben opgelost is een samenspel van diverse onderdelen van de natuurkunde: akoestiek, vloeistofdynamica, thermodynamica (warmteleer), optica, plasmafysica en quantumtheorie. En dat alles op tijd- en energieschalen die zeer ver uiteenlopen. In de implosiefase, aldus het model, loopt de temperatuur zo hoog op dat meeratomige gassen in de bel, zoals stikstof (N2), in hun afzonderlijke atomen dissociëren en in de omringende vloeistof oplossen. Het plasma van edelgas dat resteert, bestaande uit ionen, atomen en elektronen, zendt vervolgens licht uit.

Door te berekenen hoe de energie in de samengeperste bel over deze drie componenten is verdeeld, en welke wisselwerkingen er optreden, wisten de onderzoekers de eigenschappen van het licht kwantitatief af te leiden. Daartoe behoren de duur van de pulsen, hun intensiteit, de vorm van hun spectrum en de temperatuurafhankelijkheid van het verschijnsel. De uitkomsten komen goed overeen met de experimentele data. (Dirk van Delft)