Глава двенадцатая загадки сонолюминесценции

12.1. Ускорительный механизм холодного ядерного синтеза

В предыдущей главе мы говорили о воде и процессах в ней и вовсе забыли о том, что большинство исследователей считают, что реакции низкотемпературного ядерного синтеза протекают лишь либо внутри твердых тел (например, в электродах), насыщенных дейтерием, либо на их поверхности, граничащей с жидкой или газообразной дейтерийсодержащей средой. Такое представление пошло от работ флейшманна с Понсом [164] и Джонса с сотрудниками [165], в которых палладиевый электрод насыщался дейтерием, прежде чем "выстрелить" залпом из сотни-другой нейтронов, и усилилось, когда вспомнили о работе Дерягина с сотрудниками [173], в которой механически раскалывали дейтерийсодержащие кристаллы.
Еще раньше Б. В. Дерягин с сотрудниками открыли явление механоэмиссии -излучение электромагнитных волн и электронов, ускоренных до десятков кэВ, при раскалывании кристаллов. А поскольку наводораживание металлов всегда приводит к их распуханию и хрупкости, а часто и появлению микротрещин, то оба явления связали воедино.
Предположили [193], что в моменты образования микротрещин в насыщенных водородом металлах (гидридах) в них возникают сильные электрические поля, подобно тому, как они возникают при разрушении ионных кристаллов в результате разделения трещиной ионов на положительные и отрицательные. Появившиеся так на противоположных берегах трещины разноименные заряды и создают в трещине электрическое поле с напряженностью до ~108 (10 в 8 степени)В/см. При ширине трещины ~1 мкм электрическое поле столь высокой напряженности способно ускорить в ней электрон автоэлектронной эмиссии до энергий -10 кэВ.
Поскольку ионы водорода или дейтерия в тысячи раз массивнее электрона, то для ускорения их в такой трещине шириной ∆ l. необходимо, чтобы разность потенциалов на противоположных берегах трещины удерживалась много дольше, чем это необходимо для ускорения электрона, а именно в течение времени [191]:

(12.1)

где Wp -103(10 в 3 степени) эВ - та энергия, до которой ускоряется протон электрическим полем трещины.
Авторы статей по данной тематике обычно упускают один момент, на который мы хотим обратить внимание: чтобы создались условия для ускорения заряженных частиц в микротрещине, необходимо, чтобы она была заполнена не жидкостью, а разреженным газом - плохим вакуумом. Тогда пробег ускоряемой частицы в такой среде между столкновениями с ее атомами становится уже сравнимым с той длиной ∆ l, которая необходима для ускорения частицы до энергии Wp, определяемой форму лой (12.1). А разрежение в трещине может существовать только в первые мгновения после возникновения трещины, пока поток атомов и молекул газа из окружающей среды еще не успел ее заполнить. Все это обуславливает кратковременность рассматриваемых процессов.
Кроме того, если микротрещина возникает в металле, электропроводность которого высока, то встает вопрос, успеет ли ускориться ион за то время, пока такой микроконденсатор-трещина разрядится за счет токов утечки по металлу? Расчеты, результаты которых приведены в [191 ], показали, что не всегда, а лишь когда в окрестностях трещины металл настолько насытился водородом, что произошло образование гидридных фаз, имеющих удельную электропроводность, много меньшую, чем у металла.
Но есть и другая причина утечки заряда с конденсатора-микротрещины: автоэлектронная эмиссия, при которой осуществляется параллельное ускорение электронов в микротрещине и затрачивается на это значительная часть энергии, запасенной в таком конденсаторе. Для того чтобы уменьшить эти потери, тоже существенно условие усиления диэлектрических свойств гидрида металла, так как плотность тока автоэлектронной эмиссии из диэлектриков обычно на несколько порядков величины меньше, чем из металлов.
В гидридах, образующихся при насыщении палладия или титана водородом или дейтерием, все это, как показано в [191], работает на пределе, обеспечивая в результате осуществления ядерной реакции (10.3) выход нейтронов из единицы объема наводороженного металла порядка за одно растрескивание. Эта величина достаточно хорошо коррелирует с экспериментально получаемыми при вспышках нейтронного излучения плотностями потока нейтронов до из насыщенных дейтерием электродов или раскалываемых кристаллов LiD.
Таким образом, в рамках ускорительной модели низкотемпературный ядерный синтез рассматривается как "микроскопически горячий", при котором преодоление дейтронами кулоновского барьера происходит за счет энергии, запасенной в материале при образовании гидридов и концентрирующейся в нем в виде электрического поля микротрещин при их возникновении. При этом энергия, выделяющаяся за счет ядерных реакций (10.3), могла бы в принципе быть много большей, чем химическая энергия гидридов, если бы интенсивность ядерных реакций была достаточно высокой.
Увы, сопоставление энергетического выхода ядерной реакции (10.3), умноженного на число образующихся нейтронов, зарегистрированных в экспериментах типа дерягинских или Флейшманна-Понса, неизменно показывало ничтожность суммарного энергетического выхода ядерных реакций (10.3) по сравнению с тем теплом, которое непонятно отчего выделялось при этом из металла. Поэтому Дерягин с сотрудниками в 90-е годы активно искали не ядерные, а альтернативные им физико-химические механизмы, ведущие к импульсному выделению тепла из металлов, насыщенных водородом [ 194,195].
Но оказалось, что низкий выход нейтронов - еще не показатель интенсивности реакций ядерного синтеза в таких условиях. В работах [196] и [197] была обнаружена поразившая многих особенность: при холодном ядерном синтезе преимущественно идет почему-то реакция (10.4), а не (10.3). Отношение выходов данных реакций составляло . Эти результаты вскоре были подтверждены и другими группами исследователей, в том числе дерягинской [198].
Надо сказать, что физиками задолго до того было подмечено, что при бомбардировке ядер атомов дейтронами малых энергий реакция (10.4) более вероятна, чем реакция (10.3). При малых энергиях такие реакции называют "процессом Опенгеймера-Филлипса", или процессом неполного проникновения дейтрона в ядро. Объясняют его тем, что при малых кинетических энергиях подлетающего к ядру атома дейтрона из-за огромных (по ядерным меркам) размеров последнего он не полностью проникает в ядро. Туда попадает лишь его нейтрон, не имеющий электрического заряда, а потому не отталкиваемый ядром. А протон дейтрона остается снаружи, отталкиваемый от ядра электростатическими силами. В ядре ядерные силы захватывают нейтрон и отрывают его от слабосвязанного дейтрона. Протон же улетает, отталкиваемый от ядра электростатическими силами [186]. Но чтобы соотношение реакций (10.4) и (10.3) из-за этого достигало , такого никто раньше не наблюдал и не ожидал*.(Ниже в данной книге мы дадим новое объяснение этому факту, удивившему многих и до "юр не имевшему удовлетворительного объяснения.)
Впрочем, этому можно было только радоваться: ведь уменьшается до минимума опасность нейтронного облучения при холодном ядерном синтезе.
Описанный ускорительный механизм ядерного синтеза идет, по-видимому, и в ставшем широко известным, но все еще загадочном процессе выделения огромной тепловой энергии при погружении в воду никелевых шариков, получаемых по технологиям, являющимся секретом их разработчиков [199]. Особенностью этих шариков является то, что после нескольких циклов погружения в воду они рассыпаются в порошок. Конечно же, это происходит в результате трещинообразования, которое и сопровождается выделением внутренней энергии вещества.
Некоторые могут спросить: если ускорительный механизм так хорошо объясняет холодный ядерный синтез и коль в естественных условиях металла электродов возникает столько потерь из-за несовершенства естественных диэлектриков в металле, то почему бы все это не организовать на настоящих ускорителях с прекрасными изоляторами и хорошим вакуумом и не получать ядерную энергию в больших количествах?
Ведь для получения в таком реакторе с ускорителем тепловой мощности 1 кВт за счет ядерных реакций (10.3) или (10.4) требуется, чтобы в нем происходило таких реакций в секунду. Если не считать потерь, то для этого потребуется ток ускоренных дейтронов всего лишь А. Если энергия ускоренного дейтрона ~10 кэВ, то мощность необходимого пучка дейтронов составит всего лишь 3 Вт.
Казалось бы, что действительно дело очень выгодное - всего 3 Вт затрат энергии пучка и целый киловатт на выходе! Но вся проблема в технических сложностях. Например, вывести пучок дейтронов столь низкой энергии из вакуумной камеры ускорителя в реактор, заполненный дейтерием хотя бы до атмосферного давления, пока невозможно. Да и других технических трудностей столько, что пока лучше поискать другой путь.

12.2. Чудо сонолюминесценции

Люди давно подметили, что бурун от винта за кормой моторной лодки слегка светится в темноте. Долгое время это объясняли люминесценцией микроорганизмов, живущих в воде и побеспокоенных винтом. Но еще в 1934 г. физики Г. Френцель и Г. Шультес из Кёльна обнаружили, что чистая вода, не содержащая микроорганизмов, при облучении ее ультразвуком тоже слегка светится в темноте [200]. Это явление назвали сонолюминесценцией (звукосвечением). В те годы это весьма слабое и не всегда воспроизводимое свечение, в отличие от открытого в те же 30-е годы голубого свечения в воде излучения Черепкова-Вавилова, вроде бы не обещало никаких перспектив ни в научном, ни тем более в практическом плане. Поэтому сонолюми-несценция даже во второй половине XX века оставалась на задворках большой науки. Физики ею не интересовались, а химиков, еще в 1929 г. открывших эффекты стимулирования ультразвуком химических реакций, больше интересовали химические реакции, а не сопровождающие их иногда эффекты сонолюминесценции. Литература по этой теме до 90-х годов оставалась весьма бедной. Нам известны лишь две отечественные монографии [201,202].
До настоящего времени конкурируют три взгляда на природу свечения при сонолюминесценции: термическое излучение, обусловленное сильным нагреванием газов и паров в кавитационных пузырьках, происходящим в результате адиабатического сжатия их при кавитационном схлопывании пузырьков; хемилюминесценция, объясняющая свечение фотохимическими рекомбинациями термически диссоциированных молекул в тех же кавитационных пузырьках; свечение разреженного газа в кавитационных пузырьках или кавернах под действием электрических разрядов, происходящих в них. Общим для всех трех представлений является признание роли кавитационных пузырьков и того, что в них происходит концентрирование мощности акустических колебаний жидкости, имеющих сравнительно невысокую плотность звуковой энергии, с превращением ее здесь в фотоны, уносящие энергию hv высокой плотности. Концентрирование энергии вместо рассеяния ее - это вроде бы противоречит второму началу термодинамики. Но такое чудо происходит в кавитационных пузырьках.
Э. Харви еще в 1939 г. высказал предположение, которое сейчас является общепризнанным: эмиссия света под действием ультразвука осуществляется внутри газонаполненных кавитационных пузырьков [203].
Поскольку с повышением интенсивности ультразвука развитая (ярко выраженная) кавитация возникает лишь после некоторого порога интенсивности, то и сонолюминесценцию различают предпороговую и послепороговую (называемую иногда настоящей сонолюминесценцией), которая в десятки раз интенсивнее предпорогового свечения.
Сонолюминесценцию наблюдали не только в воде, но и в различных органических жидкостях [203-205]. В 1962 г. Г. Кутруфф открыл сонолюминесценцию и в ртути, где она оказалась на несколько порядков величины интенсивнее, чем в воде [206]. В [202] говорится, что в 80-е годы было зарегистрировано и свечение, возникающее под воздействием ультразвука в расплавах цинка и сплава Вуда.
Было установлено, что благородные газы, растворенные в воде, усиливают соно-люминесценцию в ней. При этом степень их влияния зависит от атомной массы газа, уменьшаясь с ее уменьшением: Хе > Кr > Аr > Ne > Не [202]. Имеются данные, показывающие, например, что смесь азота с аргоном, содержащая всего лишь 0,1% аргона, будучи растворенной в воде, усиливает интенсивность сонолюминесценции в 30 раз. Это льет воду на мельницу сторонников электрической и люминесцентной теорий сонолюминесценции, так как всем известно применение благородных газов в газоразрядных и люминесцентных светильниках, где разреженный благородный газ возбуждается потоком электронов.
Используя относительно низкой частоты (2,5 кГц) акустические колебания, исследователи еще в 1959 г. выяснили, что каждая соновспышка представляет собой серию импульсов излучения, длительность каждого из которых не превышает ~10-9 (10 в минус 9 степени)сек. Причем вспышки происходят в основном при переходе от фазы разрежения звукового поля в жидкости к фазе сжатия [207]. Развитие этих исследований Путеррманом с коллегами из Калифорнии в начале 90-х годов, когда техника наносекундных измерений шагнула далеко вперед, показало, что импульсы соновспышек происходят не менее 50 * 1012 (10 в 12 степени) раз в секунду.
Из этих исследований неясно было, рождаются ли следующие друг за другом со столь большой частотой повторения импульсы вспышек в одном и том же кавитационном пузырьке или происходит регистрация импульсов света от множества разных пузырьков, находящихся в жидкости недалеко друг от друга. Ясность в этом вопросе позволило внести создание аспирантом Филиппом Гайтаном из университета штата Миссисипи вместе с Л. Крумом установки, удерживающей в центре сосуда всего лишь один сонолюминесцирующий пузырек. Подробнее об этом можно прочесть в [208]. Сформировав сравнительно большой (диаметром в несколько мкм) кавитационный пузырек, Гайтан и Крум включали ультразвуковой генератор при сравнительно низких частотах, близких к порогу слышимости человеческого уха. Пузырек тотчас раздувался до 50 мкм, затем начинал резко сжиматься, уменьшаясь в миллионы раз и излучая световую вспышку. Ее длительность составляла всего около 50* 10-12 (10 в минус 12 степени)сек. А повторялись вспышки из одного пузырька с потрясающе четкой периодичностью (особенно когда пузырек содержал примеси благородных газов), стабильность которой можно сравнить разве что со стабильностью работы кварцевого генератора хронографа.
Изобретение Гайтана и Крума открыло второе дыхание исследователям сонолюминесценции. Вокруг нее в 90-е годы появилось множество спекуляций и фантазий. В том числе и о термоядерных реакциях, идущих в сверхвысокотемпературной плазме кавитационных пузырьков, и о выделении в них скрытой энергии физического вакуума. К. Аберле из Кембриджа вслед за уже известным читателю Л. Сапогиным из Москвы утверждает, что "сонолюминесценция - это свет, вырывающийся из вакуума". Слово сонолюминесценция стало на слуху у многих. Но давайте останемся реалистами и будем опираться лишь на твердо установленные наукой факты, которых в этой области накоплено уже немало.
Ведь тут и установленные факты настолько фантастичны, что в них трудно поверить. Например, если разделить радиус кавитирующего пузырька (-25 мкм) на продолжительность импульса вспышки , то получим скорость сжатия пузырька -500 км/сек. Неужели с такой скоростью движется поверхность жидкости в пузырьке при его схлопывании? Ведь это всего в 600 раз меньше скорости света в вакууме! Какая же сила требуется для ускорения слоя жидкости толщиной порядка радиуса пузырька до таких скоростей за столь малое время?! Нетрудно подсчитать, что порядка Н. Поразительно! Вот почему кавитация разрушает любые материалы.

12.3. Электрические теории сонолюминесценции и явление Кезиковых

Всех исследователей еще с 30-х годов интересовало, какова температура газа в кавитационном пузырьке, который излучает свечение. На первоначальном этапе спектральных исследований сонолюминесценции измерения проводили довольно грубым методом - с помощью фотопластинок, которые регистрировали только континуум, простирающийся от нижней границы чувствительности фотопластинки в видимой области спектра до ультрафиолетовой [209, 210]. В соответствии с тепловой теорией Нолтинга-Непайраса [211] авторы работ [209, 210] считали зарегистрировенный так спектр излучением черного тела и рассчитали, что для одноатомных газов эквивалентная температура равна б и 11 тысячам градусов соответственно. Многие другие авторы тоже считали континуум сонолюминесценции равновесным излучением абсолютно черного тела. Они пришли к выводу, что температура в центре кавитационных пузырьков при их схлопывании достигает температуры поверхности Солнца, а то и миллиона градусов Кельвина.
С такими выводами сторонников тепловой гипотезы сонолюминесценции никак не соглашаются сторонники хемилюминесценции и электрической теории. Так, автор книги [202] указывает, что сам факт образования континуума излучения еще не может однозначно говорить о высокой температуре в пузырьке. Он пишет, что сплошные спектры в газах, в отличие от линейчатых и полосовых спектров переходов между определенными дискретными уровнями, могут быть обусловлены переходами между состояниями, из которых по крайней мере одно не квантовано. Такими процессами могут быть: рекомбинация радикалов; рекомбинация иона с электроном; тормозное излучение; некоторые процессы с участием атомов или радикалов и некоторые процессы с участием возбужденных молекул. Во всех этих процессах, если они идут в кавитационных пузырьках, излучение будет люминесцентным излучением относительно холодных газов, а не термическим излучением парогазовой смеси.
Далее М. А. Маргулис в [202] указывает, что понятие температуры имеет определенный смысл только в случае полного термодинамического равновесия системы. А схлопывание кавитационного пузырька является необратимым процессом, и скорость изменения температуры может характеризовать степень отклонения состояния газа в нем от равновесного. Выявленная же экспериментаторами частота повторения импульсов сонолюминесценции до вызывает большие сомнения относительно равновесности процессов, ибо для установления термодинамического равновесия в газе требуется, чтобы произошло по крайней мере 10 столкновений его молекул. А за время сек между импульсами сонолюминесценции успеет про изойти всего 5-6 столкновений в газе. Даже процессы в газах продолжительностью ~10-9 (10 в минус 9 степени)сек физхимики давно уже признают неравновесными и рассматривают ионную и электронную температуры в них раздельно.
Сторонники электрических гипотез свечения газа в кавитационных пузырьках ведут отсчет своих работ в основном от публикации Я. И. Френкеля 1940 г. [212]. Он предположил, что кавитационная полость в воде появляется точно так же, как трещина в твердом теле, о которой мы говорили в разделе 12.1. То есть пузырек сначала не шар, а линзообразная трещина в воде. Нам, уже знакомым с квазикристаллической структурой воды, понятен такой подход. А поскольку в воде всегда имеются ионы обоих знаков заряда, то, по мнению Френкеля, на одной из стенок такой микротрещины должно оказаться больше отрицательных зарядов, а на противоположной -положительных, как это происходит при растрескивании ионных кристаллов. Потом в такой трещине-конденсаторе, раздувшейся в процессе кавитации в пузырек, начинается электрический разряд в газе, ведущий к возбуждению молекул и атомов газа с последующим их высвечиванием.
Существует ряд электрических гипотез сонолюминесценции и других авторов. Но все они, как и гипотеза Френкеля, весьма сыры и содержат явные натяжки. Во главу угла в большинстве из них положено явление электризации жидкости при интенсивном взбалтывании ее и барботировании пузырьками газа. При этом многие авторы руководствовались считающимися теперь устаревшими представлениями Ленарда о том, что трибоэлектрическая электризация жидкости происходит только при нарушении целостности ее поверхности и разрыве ее, например, при распылении жидкости на капли, и не зависит ни от трения жидкости о газ, ни от природы газа, с которым контактирует жидкость.
Разобраться в причинах появления трибоэлектричества в жидкостях людям интересно было не только и не столько для объяснения природы сонолюминесценции, сколько для повышения безопасности транспортировки горючих жидкостей (вспомните заземляющие цепи сзади бензовозов), а самое главное - для объяснения природы атмосферного электричества - источника гроз. О сложности решения последней задачи много сказано в знаменитых лекциях по физике Р. Фейнмана [213].
М. А. Маргулис в [202] подвергает критике существующие электрические теории сонолюминесценции, но предлагаемая им взамен теория довольно запутанна, а потому неубедительна. Она основана на электризации пузырьков в воде за счет разрыва их поверхности при делении пузырьков, что, по его мнению, происходит с каждым из них при кавитации. Но такое объяснение причины появления в кавитационных пузырьках зарядов и электрических полей было приемлемым только до опытов Гайтана и Крума. Их опыты продемонстрировали, что одиночный кавитирующий пузырек, не делясь, продолжает исправно в течение многих циклов его расширения и сжатия излучать импульсы света. Откуда он черпает на это энергию и как в нем за столь малое время между импульсами излучения восстанавливается электрический заряд, необходимый для следующего разряда?
Ответ подсказывают эксперименты украинского 85-летнего физика-неформала Д- Р. Кезикова из г. Конотопа. Он, будучи на пенсии, осуществил с помощью сына простой опыт, который любой читатель может воспроизвести в домашних условиях. Они поставили на печку металлический чайник с водой, корпус которого заземлили, а на носик чайника надели конец полутораметрового резинового шланга. В шланг почти до самого чайника ввели оголенный провод, конец которого присоединили к клемме миллиамперметра с заземленной второй клеммой. Когда вода в чайнике начала испаряться, конденсируясь затем в шланге, охлаждаемом снаружи льдом, миллиамперметр показывал наличие электрического тока. Если же измерительный прибор на минутку отключали от заземляющего провода, то при последующем подключении его обратно к этому проводу он зашкаливал - столь велик оказывался накопившийся отрицательный заряд.
Знаменательно, что этот эксперимент, который вполне можно назвать одним из последних красивейших и важнейших экспериментов уходящего XX века, впервые был выполнен не в современной научной лаборатории, а в условиях, в каких ставили свои знаменитые эксперименты М. Фарадей и А. Ампер на заре электрической эры.
Как академик Дерягин в свои 90 лет продолжал генерировать научные идеи, вдохновляя учеников на научные подвиги, то под бурные аплодисменты, то под злорадное улюлюканье окружающей серой академической братии, так престарелый украинский самородок, вынужденный творить в глухой провинции в изоляции от научной среды, под неодобрительными взглядами домашних искал и находил решения многих научных проблем. Домашние хмурились, но сын пошел по пути отца, тоже обрекая себя на безденежье, неодобрение окружающих и муки научных терзаний в одиночку.
В публикации [214] об описанном опыте Кезиковы уверяют, что имеет смысл использовать обнаруженное ими явление для прямого производства электроэнергии из водяного пара без помощи турбин и динамомашин.
Явление Кезиковых можно объяснить тем, что молекулы воды обладают большим сродством к электрону. Причина этого -таже, из-за которой образуются водородные связи, рассматриваемые нами в предыдущих главах. А именно, в молекуле воды ковалентные электроны, общие для атомов водорода и кислорода, находятся большую часть времени между этими атомами. В результате ядра атомов водорода в молекуле воды как бы оголены с одного бока от электронных облаков (см. рис. 12.1.). К этим положительным зарядам и притягиваются посторонние электроны извне.

Рис. 12.1. Ковалентные связи в молекуле воды.
У одного атома кислорода и двух атомов водорода
появляются общие электроны, в результате чего их э
лектронные оболочки заполняются до конца и образуется
прочная молекула Н20.

Рис. 12.2. Водородная связь.
Положительно заряженный бугорок одной молекулы воды
и отрицательно заряженный край
(изолированная электронная пара)
другой молекулы устанавливаются строго напротив друг - друга

Когда молекула воды находится в плотном окружении других молекул воды, то это спаренные электроны других молекул воды, образующие водородную связь (см. рис. 12.2.). А когда молекула при кипении воды отрывается от остальной массы воды, разрывая водородные связи, то иногда прихватывает с собой такой электрон, бывший до того общей собственностью с другой молекулой, остающейся в воде и превращающейся там на некоторое время в положительный ион. Благодаря довольно высокой электропроводности обычной воды, содержащей примеси солей, ионы в воде чайника быстро нейтрализуются электронами, поступающими с заземленного корпуса чайника.
Такое объяснение в общем-то не противоречит представлениям Ленарда: ведь испарение - это отрывание от воды ее мельчайших "капелек" - иногда молекул, иногда целых молекулярных ассоциатов.
При конденсации паров воды и даже при объединении в водяном пару отдельных молекул воды в ассоциаты отрицательные заряды (избыточные электроны) накапливаются на поверхности образующихся капель или ассоциатов. По мере роста капель растет и плотность заряда на их поверхности.
Этот механизм, по мнению Кезиковых, и является причиной появления атмосферного электричества, а отнюдь не трение капель воды в облаках о воздух, как полагают многие до сих пор вопреки мнению Ленарда, который доказывал, что электризация капель воды происходит от разрывов поверхности воды при ее распылении.
Для нас явление Кезиковых важно потому, что оно объясняет как появляется электрический заряд в пульсирующих кавитационных пузырьках. При сравнительно медленном расширении пузырька во время фазы отрицательного давления в воде в расширяющемся пузырьке под действием разрежения происходит испарение воды с его стенок. Отрицательно заряженные молекулы водяного пара заполняют пузырек, а на его стенках появляется положительный заряд. (Поверхность воды, в том числе и стенок пузырьков в ней, представляет собой, как показано во многих работах [202], двойной электрический слой, сторона которого, обращенная к газу, заряжена отрицательно. Это облегчает на стадии испарения отрыв от поверхности воды отрицательных ионов, и какое-то время затрудняет возвращение к ней из пузырька отрицательно заряженных молекул и конденсацию их на поверхности стенок пузырьков.)
При последующем же быстром сжатии пузырька во время фазы положительного давления в воде давление в нем возрастает, в результате чего часть паров конденсируется в отрицательно заряженную микрокапельку в пузырьке. По мере роста ее размеров растет и плотность отрицательного заряда на ее поверхности. Одновременно растет и плотность положительного заряда на стремительно уменьшающейся при сжатии пузырька его поверхности.
Появляющиеся силы электростатического притяжения между центральной капелькой и стенками пузырька ускоряют его схлопывание. К ним добавляются еще и силы поверхностного натяжения на стенках пузырька, которым уже не противостоит давление пара в пузырьке. Не отсюда ли возникают те гигантские силы, которым мы удивлялись в конце предыдущего раздела?
Давайте подсчитаем. Если радиус пузырька 20 мкм, а изначальная плотность молекул паров в нем (атмосферное давление) и заряжены только ~1% молекул, то суммарный заряд в пузырьке составит . При конденсации лишь 10-й части этого пара в капельку кулоновские силы притяжения между ней и поверхностью пузырька достигнут величины ~ 10 Н. Сила довольно велика, но все же на много порядков величины меньше тех удивительно больших сил, которые мы насчитали в конце раздела 12.2 в предположении ускорения поверхности пузырька при его схлопывании до скоростей, сравнимых со скоростью света. Силы поверхностного натяжения при таких размерах пузырьков на много порядков величины меньше вычисленных электростатических сил. Так что загадка сверхбыстрого охлопывания кавитационных пузырьков остается.
Да и вычисленные электростатические силы такой величины, наверно, не могут появиться. Объясним почему. Электрическая емкость сферического конденсатора, состоящего из микроскопической капельки сконденсировавшейся воды в центре сжимающегося пузырька, зависит от соотношения радиусов пузырька R и капельки Rk

(12.2)

А когда это соотношение достаточно велико (>10), то только от радиуса капельки:

Если в капельке сконденсируется 10% паров воды, первоначально имевших в пузырьке плотность молекул , то радиус капельки составит при Rп = 20 мкм. Емкость такого микроконденсатора составит ~ , а запасенная в нем электрическая энергия .
Но при этом разность потенциалов в пузырьке должна бы достичь величины Uk = В, а напряженность электрического поля , что в миллионы раз больше напряженности поля самопробоя в воздухе.
Из этого понятно, что капелька не успеет вырасти до указанных размеров, ибо гораздо раньше между ней и поверхностью пузырька произойдет электрический разряд, который разрядит такой микроконденсатор и испарит часть воды капельки.
Для сравнения отметим, что в работе [215] экспериментально выявлено, что у водяных капель диаметром см, полученных распылением, заряд достигает зарядов электрона, а в [216] показано, что потенциал пузырьков в воде достигает 0,14 В, а в диэлектрических жидкостях превышает 80 В.
Но эти величины характеризуют лишь избыточный (нескомпенсированный) заряд капли и пузырька. Мы же в нашем примере полагали, что нескомпенсированных зарядов у нас нет, и рассматривали внутреннее распределение зарядов в пузырьке.
Из всего изложенного для нас важнее другое. А именно то, что явление Кезиковых даже при слабом его проявлении действительно способно обеспечивать кавитирующий пузырек необходимым количеством зарядов при каждом цикле последовательных расширений и сжатий пузырька. При расширении происходит парообразование (значит, рост числа зарядов) в пузырьке, а при сжатии создаются условия для возникновения в пузырьке электрических разрядов. Последние не только высвечивают из пузырька фотоны (отчего и появляется свет), но и резко разогревают газ в пузырьке, отчего тот вновь начинает расширяться. Конечно, эти циклы последовательных сжатий и расширений пузырька не могли бы продолжаться долго, если бы потери энергии, рассеиваемой пузырьком, не компенсировались пополнением энергии извне (за счет энергии ультразвукового поля), а возможно, и изнутри (за счет энергии реакций ядерного синтеза, идущих в кавитирующих пузырьках при электрических разрядах в них).

Date: 2015-07-27; view: 929; Нарушение авторских прав