Особенности разрядов в сонолюминесцирующих пузырьках

Прежде чем разбираться в элементарных процессах, приводящих к излучению света в кавитационном пузырьке, надо ответить на вопрос - какого рода электрические разряды происходят в нем. Сразу скажем, что готового ответа нет: физики это мало исследовали. Они предпочитали иметь дело с разрядами между металлическими электродами, а в данном случае металла нет: разряд происходит между двумя поверхностями воды, имеющими разные потенциалы. Да и длительность разряда до схлопывания кавитационного пузырька (< 10-9 (10 в минум 9 степени)сек) тоже непривычно мала для специалистов по газовым разрядам. За столь малое время никак не успеет сформироваться искровой разряд, а процесс может ограничиться лишь стриммерной стадией, которая в физике разрядов считается лишь начальной стадией, предшествующей формированию канала искрового разряда и вкладыванию в него основной доли энергии разряжаемого конденсатора [217].
В данном случае емкость "конденсатора" весьма мала, да и условий для стекания зарядов с его "обкладок" к месту электрического пробоя нет почти никаких -электропроводность жидкости низка. Получается, что такой микроразряд ближе всего по своим особенностям к так называемому коронному или кистевому разряду или же к барьерному разряду в газе между диэлектрическими пластинами, при котором ток разряда формируется лишь за счет поверхностных зарядов диэлектрических пластин. А барьерный разряд физиков интересовал мало из-за своей маломощности, хотя химики используют его в озонаторах и некоторых других устройствах.
Из того экспериментального факта, что вспышки сонолюминесценции наблюдаются преимущественно на стадии перехода от фазы растяжения в жидкости к фазе ее сжатия, следует, что разряды в кавитационном пузырьке начинаются, когда радиус и поверхность пузырька уменьшаются, в результате чего одновременно растут как плотность зарядов на этой поверхности, так и напряженность электрического поля между нею и центральной капелькой, конденсирующейся в пузырьке (если она есть) или между противоположными стенками пузырька, если они по той или иной причине имеют разные потенциалы.
Автор монографии [202] считает, что после достижения пробойной напряженности электрического поля в парогазовой смеси кавитационного пузырька начинается лавинная ионизация этой смеси электронами разряда. В сухом атмосферном воздухе пробойная напряженность составляет 3 o 104(10 в 4 степени) В/см. Из этой величины и исходил Маргулис, обсуждая разряды в кавитационных пузырьках. А Френкель исходил еще из меньшей величины - 600 В/см, полагая, что давление в пузырьке меньше, чем 2 кПа [212]. Маргулис же допускает, что давление тут может превышать атмосферное в тысячи раз. А при высоких давлениях, как известно, напряженность электрического поля самопробоя газа повышается. Поэтому наши опасения, высказанные в конце предыдущего раздела, о том, что из-за самопробоя парогазовой смеси напряженность электрического поля в пузырьке не успеет вырасти до очень больших величин, могут оказаться напрасными, если давление там во время сжатия пузырька действительно намного превышает атмосферное.
Кроме того, для разрядов в жидкостях характерен эффект импульсности - повышение пробойного напряжения с уменьшением длительности импульса напряжения, прикладываемого к электродам. В течение очень коротких времен (меньших, чем 10-7(10 в минус 7 степени) сек) напряжение на электродах в жидкости можно поднять до величин, много больших, чем напряжение самопробоя жидкости в статических условиях [218]. Этим широко пользуются конструкторы импульсных ускорителей [219]. Авторы работ [202, 212] этого не учли.
Ну а когда длительность импульсов меньше 10-9(10 в минус 9 степени) сек, как в случае с кавитационным пузырьком, то разряд вообще не успевает перерасти в искровой, для которого и было определено понятие пробойной напряженности поля. Неслучайно при обсуждении ускорительного механизма ядерных реакций в трещинах наводороженного металла, который мы рассматривали в разделе 12.1, все авторы без стеснения оперируют с напряженностями поля ~108 (10 в 8 степени) В/см, хотя предполагают (или замалчивают), что в рождающейся микротрещине давление газа, не успевающего заполнить ее, меньше атмосферного. Там все процессы тоже идут в течение очень короткого времени раскрытия микротрещины [191].
Да и неувязка получается у авторов работ [202, 212] с величиной электрического напряжения в пузырьке. Так, если напряженность поля самопробоя в нем 600 В/см (как полагал Френкель), то при расстоянии между стенками пузырька -1 мкм величина напряжения между этими стенками составит всего 0,06 В. А если напряженность ~3*104(10 в 4 степени) В/см (как полагал Маргулис), то разность потенциалов в таком же пузырьке не превысит 3 В. А ведь потенциал ионизации водорода составляет 12,6 В, как это указывает на другой странице той же своей книги Маргулис! Когда напряжение на электродах меньше потенциала ионизации газа между электродами, разряд не зажжется! Это азбучная истина теории и практики электрических разрядов [218].
Так что пусть нас не пугают очень большие величины напряженностей электрических полей в кавитационных пузырьках, какие мы насчитали в конце предыдущего раздела.
Если исходить не из напряженности поля самопробоя газа, а из порогового напряжения ионизации водорода электронным ударом (13 В), то при указанных в конце предыдущего раздела размерах пузырька и капельки в нем минимальная необходимая для зажигания разряда в плохом вакууме напряженность поля в таком пузырьке составит В/м. На самом же деле из-за затрат энергии еще и на работу выхода электронов из электродов пороговое напряжение зажигания разряда обычно больше порога ионизации газа в 1,5-2 раза даже в статических условиях. А при столь коротких временах, как при кавитации, да еще при повышенных давлениях газа в пузырьке, оно должно возрасти в десятки, а то и в сотни раз. Поэтому в таком процессе, как и в микротрещине металла, напряженность электрического поля вполне может достигать .
Тогда напряжение между стенками пузырька и капелькой в нем составит 105(10 в 5 степени)В, а величина заряда капельки , или зарядов электрона. Если в капельке по-прежнему сконденсировалось 10% паров пузырька, то для создания такого заряда на этой капельке достаточно, чтобы лишь молекул в водяном паре пузырька несли с собой "прихваченный" электрон.
Кстати, именно такая концентрация заряженных молекул в паре получается в опытах Кезиковых с чайником, о которых рассказывалось в предыдущем разделе. При скорости испарения воды в чайнике 1 литр за час ( молекул в секунду) и зарегистрированном миллиамперметром электрическом токе из шланга-конденсатора электронов в сек) отношение потока заряженных молекул воды ко всему потоку молекул пара составляет или . Но надеемся, что это случайное совпадение, и данная величина - не предел для концентрации заряженных молекул в водяном пару. Ведь действительно, прежде чем вылететь из носика чайника, каждая молекула водяного пара должна была много раз столкнуться со стенками и с крышкой чайника. При этом многие заряженные молекулы могли разрядиться, не конденсируясь, а отдав свой электрон заземленной металлической стенке. А вот за время сек, характерное для процессов в кавитационных пузырьках, успеет нейтрализоваться много меньше молекул, чем в чайнике. Поэтому мы можем рассчитывать и на большие плотности заряженных молекул в них.
Таким образом, микроразряды в сонолюминесцирующих кавитационных пузырьках весьма напоминают разряды в микротрещинах наводороженных металлов, о которых мы говорили в разделе 12.1. Да и размеры пузырьков близки к ширине этих трещин. Поэтому можно предположить, что в пузырьках при сонолюминесценции могут идти такие же ядерные реакции, как и в микротрещине по ускорительному механизму микроскопически горячего холодного ядерного синтеза. Разве только с меньшей интенсивностью в обычных условиях сонолюминесценции под воздействием ультразвука.