{"id":5449,"date":"2013-11-11T00:01:00","date_gmt":"2013-11-10T23:01:00","guid":{"rendered":"http:\/\/sciencetonnante.wordpress.com\/?p=5449"},"modified":"2013-11-11T00:01:00","modified_gmt":"2013-11-10T23:01:00","slug":"la-sonoluminescence-une-etoile-dans-un-verre-deau","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/2013\/11\/11\/la-sonoluminescence-une-etoile-dans-un-verre-deau\/","title":{"rendered":"La sonoluminescence : une \u00e9toile dans un verre d’eau"},"content":{"rendered":"

\"sonoluminescence\"<\/a><\/span>Il est fr\u00e9quent que l’on compare le son et la lumi\u00e8re. Il est vrai que ce sont tous les deux des ph\u00e9nom\u00e8nes mettant en jeu des ondes, et qu’ils correspondent \u00e0 deux de nos cinq sens. Et pourtant leurs principes physiques sont tr\u00e8s \u00e9loign\u00e9s, comme en t\u00e9moigne le fait que la lumi\u00e8re se propage 1 million de fois plus vite que le son<\/strong>.<\/p>\n

Malgr\u00e9 des diff\u00e9rences fondamentales, il existe un m\u00e9canisme \u00e9tonnant qui permet de convertir le son en lumi\u00e8re<\/strong>\u00a0: la sonoluminescence.<\/p>\n

Ce ph\u00e9nom\u00e8ne peut \u00eatre mis en \u00e9vidence en envoyant des ultrasons dans un simple r\u00e9cipient rempli d’eau. Et pourtant il fait intervenir des temp\u00e9ratures gigantesques<\/strong> que l’on retrouve habituellement plut\u00f4t dans les \u00e9toiles que dans les salles de TP.<\/p>\n

Le dispositif exp\u00e9rimental<\/h3>\n

\"sonoluminescence<\/a>Pour faire de la sonoluminescence, il faut un petit ballon rempli d’eau, auquel on accole deux hauts-parleurs. Ces derniers sont charg\u00e9s de d\u00e9livrer des ondes sonores \u00e0 une fr\u00e9quence qui correspond \u00e0 la fr\u00e9quence de r\u00e9sonance du r\u00e9cipient, g\u00e9n\u00e9ralement entre 20 et 40 kHz. Nous sommes donc dans le domaine des ultrasons.<\/strong><\/p>\n

Il faut ensuite cr\u00e9er ou placer dans le r\u00e9cipient une petit bulle, qui – si le dispositif est bien r\u00e9gl\u00e9 – se stabilisera au centre du r\u00e9cipient. Si vous \u00eates chanceux et observateur, vous verrez peut-\u00eatre que cette petite bulle se met \u00e0 briller d’une lumi\u00e8re visible \u00e0 l’oeil nu<\/strong>, comme sur l’image qui illustre le d\u00e9but de ce billet.<\/p>\n

En somme, la bulle convertit l’\u00e9nergie des ondes sonores en lumi\u00e8re\u00a0! Mais comment cela se passe-t-il ?<\/p>\n

Une bulle violemment oscillante<\/h3>\n

Pour comprendre l’origine de la sonoluminescence, il faut se pencher sur les mouvements de la bulle, et notamment son comportement au milieu des ondes ultrasonores. Comme vous le savez peut \u00eatre, les ondes sonores sont en fait des ondes de pression\/d\u00e9compression<\/strong> de la mati\u00e8re, et qui se propagent dans l’air mais aussi les solides ou les liquides. Sous l’effet des ultrasons, notre bulle est donc soumise \u00e0 des cycles qui viennent modifier sa taille :\u00a0 le rayon de la bulle augmente lors d’une phase de d\u00e9compression, et r\u00e9tr\u00e9cit lors d’une phase de compression.<\/p>\n

La question du comportement d’une bulle soumise \u00e0 des variations de pression dans le liquide avait d\u00e9j\u00e0 \u00e9t\u00e9 \u00e9tudi\u00e9e par Lord Rayleigh en 1917. La Royal Navy<\/em> l’avait en effet missionn\u00e9 pour comprendre ce qu’il se passait pour les bulles cr\u00e9\u00e9es au voisinage des h\u00e9lices des navires : un ph\u00e9nom\u00e8ne connu sous le nom de cavitation<\/strong>, et qui causait de nombreux dommages aux bateaux.<\/p>\n

\"rayon<\/a>De son \u00e9tude, Rayleigh a sorti une \u00e9quation (raffin\u00e9e plus tard par Plesset) d\u00e9crivant la variation du rayon d’une bulle soumise \u00e0 des changements de pression<\/strong>. Si on applique cette \u00e9quation au cas de notre bulle pi\u00e9g\u00e9e au milieu des ultrasons (voir ci-contre [1]), on trouve que son rayon peut varier de mani\u00e8re assez violente\u00a0: une bulle ayant initialement un diam\u00e8tre de 5 microns va se dilater jusqu’\u00e0 50 microns lors d’une phase de d\u00e9compression, mais r\u00e9tr\u00e9cir jusqu’\u00e0 0.5 microns dans une phase de compression. Cela fait un facteur 100 de variation de son rayon, mais un facteur 1 million pour son volume\u00a0!<\/strong><\/p>\n

L’enfer au sein de la bulle<\/h3>\n

Si vous avez d\u00e9j\u00e0 gonfl\u00e9 une roue de v\u00e9lo, vous savez qu’une augmentation de pression se traduit par un \u00e9chauffement<\/strong>. Dans le cas pr\u00e9cis de la bulle, son effondrement est si rapide que la chaleur produite par l’\u00e9chauffement n’a pas le temps de se propager dans le liquide environnant : la bulle est comme isol\u00e9e thermiquement du liquide, et la temp\u00e9rature augmente violemment (pour les fans de thermodynamique, c’est de la compression adiabatique).<\/p>\n

Si on calcule de mani\u00e8re na\u00efve l’\u00e9l\u00e9vation de temp\u00e9rature correspondant \u00e0 une telle compression, on trouve des valeurs allant de quelques dizaines \u00e0 quelques centaines de milliers de degr\u00e9s<\/strong>\u00a0! Autant dire que lors des phases de compression, au sein de la bulle c’est l’enfer absolu\u00a0!<\/p>\n

De la temp\u00e9rature \u00e0 la lumi\u00e8re<\/h3>\n

Une fois \u00e9tabli que dans cette minuscule bulle r\u00e8gnent des conditions absolument d\u00e9mentielles, on peut se demander quel est le m\u00e9canisme qui gouverne l’\u00e9mission de lumi\u00e8re. Pour s’en faire une id\u00e9e, plusieurs \u00e9quipes ont essay\u00e9 de mesurer la lumi\u00e8re \u00e9mise par la bulle, et notamment sa composition sur les diverses longueurs d’onde de la lumi\u00e8re.<\/p>\n

\"spectre<\/a>Premi\u00e8re constatation, le spectre est continu\u00a0: cela signifie que l’on ne mesure pas seulement quelques longueurs d’ondes bien d\u00e9finies comme c’est le cas lors d’une simple excitation d’atomes. L’image ci-contre [1] montre l’intensit\u00e9 du spectre obtenu lors de diff\u00e9rentes variantes de l’exp\u00e9rience (o\u00f9 on fait changer la nature du gaz et du liquide utilis\u00e9s). En comparant ces spectres \u00e0 ceux des corps noirs, on peut estimer que la temp\u00e9rature qui r\u00e8gne dans la bulle est de l’ordre d’environ 25 000 degr\u00e9s<\/strong>\u00a0! M\u00eame si le m\u00e9canisme n’est pas totalement \u00e9lucid\u00e9, tout porte \u00e0 croire qu’\u00e0 l’int\u00e9rieur de la bulle se forme un plasma<\/strong>, c’est-\u00e0-dire un gaz ionis\u00e9 (par exemple des ions Ar+ ou Xe+), et que l’interaction entre les \u00e9lectrons ainsi lib\u00e9r\u00e9s et les ions provoque l’\u00e9mission de lumi\u00e8re.<\/p>\n

La question des m\u00e9canismes et des temp\u00e9ratures r\u00e9gnant dans la bulle fait encore d\u00e9bat aujourd’hui. Certains ont m\u00eame pouss\u00e9 le bouchon beaucoup plus loin, et affirm\u00e9 que dans la bulle peut se produire de la fusion nucl\u00e9aire<\/strong> ! (voir [2]). N\u00e9anmoins, il semble que ces affirmations soient fortement mises en doute aujourd’hui, et que personne n’ait r\u00e9ussi \u00e0 reproduire l’exp\u00e9rience (Eh oui, on ne peut pas toujours se fier aux publis dans Science<\/em>…)<\/p>\n

<\/p>\n

\n

Pour aller plus loin …<\/em><\/h3>\n

Pour les fans de thermodynamique, vous savez (ou savez montrer) que la compression adiabatique d’un gaz ob\u00e9it \u00e0 la loi<\/em><\/p>\n

\\(PV^{\\gamma} = constante\\)<\/em><\/p>\n

o\u00f9 \\(\\gamma\\), l’indice adiabatique est \u00e9gal pour un gaz parfait au ratio des capacit\u00e9s calorifiques \u00e0 pression et \u00e0 volume constant. On peut en tirer l’\u00e9l\u00e9vation de temp\u00e9rature lors d’une r\u00e9duction de volume adiabatique<\/em><\/p>\n

\\(\\frac{T_2}{T_1} = \\left(\\frac{V_1}{V_2}\\right)^{(\\gamma-1)}\\)<\/em><\/p>\n

Dans le cas d’un gaz parfait, l’indice adiabatique d\u00e9pend de la nature du gaz : 5\/3 pour les gaz parfaits monoatomiques, mais 7\/5 pour les gaz diatomiques. Je vous laisse calculer avec la formule ci-dessus que suivant la valeur de l’indice, \u00e7a fait un grosse diff\u00e9rence pour l’\u00e9l\u00e9vation de temp\u00e9rature. Cela justifie donc que la sonoluminescence soit principalement associ\u00e9e aux gaz rares (lourds et monoatomiques) plut\u00f4t qu’\u00e0 l’oxyg\u00e8ne ou \u00e0 l’azote, comme le montre le graphique concernant les spectres lumineux.<\/em><\/p>\n

Concernant la manip, j’ai peut-\u00eatre donn\u00e9 l’impression que c’\u00e9tait facile, mais \u00e7a ne l’est pas du tout ! Je me souviens avoir vu pour la premi\u00e8re fois cette exp\u00e9rience sur une simple table, mont\u00e9e par un de mes camarades aux talents d’exp\u00e9rimentateur tr\u00e8s sup\u00e9rieurs aux miens (Boris, si tu me lis…) et je n’ai pas bien mesur\u00e9 \u00e0 l’\u00e9poque le tour de force que cela repr\u00e9sentait.<\/em><\/p>\n

Une application int\u00e9ressante de la sonoluminescence, c’est la sonochimie : l’id\u00e9e de cr\u00e9er des conditions extr\u00eames de temp\u00e9rature et de pression pour d\u00e9clencher des r\u00e9actions chimiques autrement difficile \u00e0 obtenir.<\/em><\/p>\n

Enfin pour le fun, il a m\u00eame \u00e9t\u00e9 fait un film avec Keanu Reeves et Morgan Freeman concernant la sonoluminescence comme source d’\u00e9nergie. Le r\u00e9cit (assez dr\u00f4le) d’un des auteurs de la publi [1], contact\u00e9 pour servir de consultant \/ fournisseur de locaux : http:\/\/www.scs.illinois.edu\/suslick\/hollywood.html.<\/a> Apparemment on peut se dispenser de voir le film…<\/em><\/p>\n

R\u00e9f\u00e9rences :<\/span><\/em><\/p>\n

[1] Suslick, Kenneth S., and David J. Flannigan. \u00ab\u00a0Inside a collapsing bubble: sonoluminescence and the conditions during cavitation.<\/a>\u00a0\u00bb Annu. Rev. Phys. Chem. 59 (2008): 659-683.<\/em><\/div>\n
<\/div>\n
[2] Taleyarkhan, R. P., et al. \u00ab\u00a0Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation.<\/a>\u00a0\u00bb Science 295.5561 (2002): 1868-1873.<\/em><\/div>\n
<\/div>\n
\u00a0<\/em><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Il est fr\u00e9quent que l’on compare le son et la lumi\u00e8re. Il est vrai que ce sont tous les deux des ph\u00e9nom\u00e8nes mettant en jeu des ondes, et qu’ils correspondent \u00e0 deux de nos cinq sens. Et pourtant leurs principes physiques sont tr\u00e8s \u00e9loign\u00e9s, comme en t\u00e9moigne le fait que la lumi\u00e8re se propage 1<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"jetpack_post_was_ever_published":false,"_jetpack_newsletter_access":"","_jetpack_dont_email_post_to_subs":false,"_jetpack_newsletter_tier_id":0,"_jetpack_memberships_contains_paywalled_content":false,"_jetpack_memberships_contains_paid_content":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[14,24,52],"class_list":{"0":"post-5449","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","6":"category-physique","7":"tag-etats-de-la-matiere","8":"tag-mecanique-des-fluides","9":"tag-thermodynamique"},"jetpack_featured_media_url":"","jetpack_sharing_enabled":true,"post_mailing_queue_ids":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/5449","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=5449"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/5449\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=5449"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=5449"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/scienceetonnante.com\/blog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=5449"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}