Multi Bubble Sonolumineszenz

Grundlage: Als Sonolumineszenz werden üblicherweise Leuchterscheinungen bezeichnet die in starken Schallfeldern in Flüssigkeiten auftreten. Die Ursache der Sonolumineszenz ist die Kavitation. Bei der Kavitation entstehen durch die Schallwellen kleine Dampf- oder Gasbläschen in der Flüssigkeit. Diese Bläschen sind nicht stabil sondern implodieren nach kurzer Zeit und bei diesem Vorgang entstehen extrem höhe Drucke, hohe Temperaturen, starke Schockwellen und damit die Lichtblitze der Sonolumineszenz. Die Kavitation ist auch die Ursache für die reinigende Wirkung eines Ultraschallbades. Deshalb ist es naheliegend Sonolumineszenzexperimente mit einem Ultraschallbad zu versuchen.
Kleine Ultraschallbäder sind nicht besonders teuer, Rapp-Instruments besorgte sich ein Emmi Eco von >Conrad Elektronik< ( Artikel-Nr.: 815263 - 62 ) für ca. 40 Euro. Dieses Gerät hat laut Herstellerangaben eine Leistungaufnahme von 30 Watt bei einer Schallfrequenz von 40kHz. Über die im Bad wirksame Schallleistung läßt sich nichts sagen, sie dürfte aber bei ungefähr zehn Watt liegen. Die Wirksamkeit der Ultraschallwellen läßt sich mit einem StückHaushalts-Alufolie zeigen. Die Alufolie wird durch die Schockwellen der Kavitationsbläschen in kurzer Zeit zerstört. Man muss sich gut überlegen welche Gegenstände man in einem Ultraschallbad reinigen kann will man keine böse Überraschungen erleben.
Für die folgenden Experimente muss das Ultraschallbad etwas modifiziert werden. Das helle blaue Licht der Betriebsanzeige stört bei der Betrachtung der lichtschwachen Lumineszenzerscheinungen. Deshalb wurde das Gerät geöffnet und die blaue LED einfach abgeklemmt, auf die eigentliche Funktion des Geräts hat das keinen Einfluss. Zugleich kann man einen neugierigen Blick auf die Schaltung werfen, die offenbar aus einem einfachen Inverter besteht der mit gleichgerichteter Netzspannung versorgt wird. Die mäßige Siebung der Gleichspannung ist wohl auch der Grund dafür, dass man beim Betrieb des Geräts ein 50 Hertz moduliertes Gekrächze hört. Die eigentlich Ultraschallschwingung von 40 kHz sollte nicht zu hören sein. Hörbar ist aber auch das Rauschen der implodierenden Gasbläschen das an das Geräusch von siedendem Wasser erinnert

Experiment: Der Versuchsaufbau zeigt das nebenstehende Bild. Die Helligkeit der Lichtblitze hängt von einigen Faktoren ab. Großen Einfluß haben sowohl die durchstrahlte Flüssigkeit wie auch die Gasfüllung der Bläschen. Besonders gut wird die Sonolumineszenz bei Edelgasen sichtbar, wobei Xenon die stärksten Effekte ergibt. Wesentlich billiger und einfacher erhältlich ist aber Argon, das als Schweißschutzgas in Einwegflaschen in Baumärkten erhältlich ist. Reines Wasser, möglichst abgekocht (entgast), ergibt mit Argon schwache Leuchterscheinungen. Besser wirkt Wasserglas, eine zähe Flüssigkeit die in Apotheken zum Einlegen von Eiern verkauft wird. Noch bessere Effekte bekommt man mit Schwefelsäure oder auch Natronlauge. Beides sind aber sehr gefährliche Substanzen deren Verwendung erfahrenen Experimentatoren vorbehalten ist. Ganz brauchbar sind auch Glyzerin und Glykol. Glykol ist unter dem Markennamen Glysantin als Frostschutzmittel für den Kühlkreislauf von Autos erhältlich.

Die Bilder zeigen die Sonolumineszenz in Natronwasserglas. Das rechte Bild wurde bei völliger Dunkelheit mit einer Belichtungszeit von 30 Sekunden und einer Filmempfindlichkeit von 1600 ASA aufgenommen. Mit dem nackten Auge ist das Leuchten gerade noch zu erkennen. Das mittlere Bild ist eine Kombination des ganz linken und rechten Bildes um den Entstehungsort des Leuchtens besser zu erkennen. Ein besonders starkes Licht entsteht an der Wand des Rundkolbens gerade in der Höhe des Spiegels des umgebenden Wasserbads. Ein schwächeres Licht ist auch an den in der Mitte des Kolbens aufsteigenden Argonblasen zu sehen. Durch die Lichtbrechung des wassers wird auch gleich ein grobes Spektrum der Emission geliefert. Man kann einen kontinuierlichen Verlauf vermuten. Durch eine Kühlung der Flüssigkeiten kann der Effekt wesentlich verstärkt werden. Bei sonst gleichen Aufnahme Bedingungen wurde beim rechten Bild Eiswasser in das Ultraschallbad gefüllt.

Problemlos kann man die Sonolumineszenz mit einem Photomultiplier messen. Auf dem linken Oszillogramm ist die Emission von Leitungswasser im Ultraschallbad zu sehen, im mittleren die von Natronwasserglas und im rechten die von Wasserglas das von einem Argonstrom durchperlt wird. Man kann erkennen das das Licht im 50 Hertz Rythmus emittiert wird, und daraus schließen das in der Elektronik des Ultraschallbades ein Einweggleichrichter arbeitet.