La sonoluminescence : une étoile dans un verre d’eau

sonoluminescenceIl est fréquent que l’on compare le son et la lumière. Il est vrai que ce sont tous les deux des phénomènes mettant en jeu des ondes, et qu’ils correspondent à deux de nos cinq sens. Et pourtant leurs principes physiques sont très éloignés, comme en témoigne le fait que la lumière se propage 1 million de fois plus vite que le son.

Malgré des différences fondamentales, il existe un mécanisme étonnant qui permet de convertir le son en lumière : la sonoluminescence.

Ce phénomène peut être mis en évidence en envoyant des ultrasons dans un simple récipient rempli d’eau. Et pourtant il fait intervenir des températures gigantesques que l’on retrouve habituellement plutôt dans les étoiles que dans les salles de TP.

Le dispositif expérimental

sonoluminescence dispositifPour faire de la sonoluminescence, il faut un petit ballon rempli d’eau, auquel on accole deux hauts-parleurs. Ces derniers sont chargés de délivrer des ondes sonores à une fréquence qui correspond à la fréquence de résonance du récipient, généralement entre 20 et 40 kHz. Nous sommes donc dans le domaine des ultrasons.

Il faut ensuite créer ou placer dans le récipient une petit bulle, qui – si le dispositif est bien réglé – se stabilisera au centre du récipient. Si vous êtes chanceux et observateur, vous verrez peut-être que cette petite bulle se met à briller d’une lumière visible à l’oeil nu, comme sur l’image qui illustre le début de ce billet.

En somme, la bulle convertit l’énergie des ondes sonores en lumière ! Mais comment cela se passe-t-il ?

Une bulle violemment oscillante

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 être, les ondes sonores sont en fait des ondes de pression/décompression de la matière, et qui se propagent dans l’air mais aussi les solides ou les liquides. Sous l’effet des ultrasons, notre bulle est donc soumise à des cycles qui viennent modifier sa taille :  le rayon de la bulle augmente lors d’une phase de décompression, et rétrécit lors d’une phase de compression.

La question du comportement d’une bulle soumise à des variations de pression dans le liquide avait déjà été étudiée par Lord Rayleigh en 1917. La Royal Navy l’avait en effet missionné pour comprendre ce qu’il se passait pour les bulles créées au voisinage des hélices des navires : un phénomène connu sous le nom de cavitation, et qui causait de nombreux dommages aux bateaux.

rayon bulle sonoluminescence rayleigh plessetDe son étude, Rayleigh a sorti une équation (raffinée plus tard par Plesset) décrivant la variation du rayon d’une bulle soumise à des changements de pression. Si on applique cette équation au cas de notre bulle piégée au milieu des ultrasons (voir ci-contre [1]), on trouve que son rayon peut varier de manière assez violente : une bulle ayant initialement un diamètre de 5 microns va se dilater jusqu’à 50 microns lors d’une phase de décompression, mais rétrécir jusqu’à 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 !

L’enfer au sein de la bulle

Si vous avez déjà gonflé une roue de vélo, vous savez qu’une augmentation de pression se traduit par un échauffement. Dans le cas précis de la bulle, son effondrement est si rapide que la chaleur produite par l’échauffement n’a pas le temps de se propager dans le liquide environnant : la bulle est comme isolée thermiquement du liquide, et la température augmente violemment (pour les fans de thermodynamique, c’est de la compression adiabatique).

Si on calcule de manière naïve l’élévation de température correspondant à une telle compression, on trouve des valeurs allant de quelques dizaines à quelques centaines de milliers de degrés ! Autant dire que lors des phases de compression, au sein de la bulle c’est l’enfer absolu !

De la température à la lumière

Une fois établi que dans cette minuscule bulle règnent des conditions absolument démentielles, on peut se demander quel est le mécanisme qui gouverne l’émission de lumière. Pour s’en faire une idée, plusieurs équipes ont essayé de mesurer la lumière émise par la bulle, et notamment sa composition sur les diverses longueurs d’onde de la lumière.

spectre sonoluminescencePremière constatation, le spectre est continu : cela signifie que l’on ne mesure pas seulement quelques longueurs d’ondes bien définies comme c’est le cas lors d’une simple excitation d’atomes. L’image ci-contre [1] montre l’intensité du spectre obtenu lors de différentes variantes de l’expérience (où on fait changer la nature du gaz et du liquide utilisés). En comparant ces spectres à ceux des corps noirs, on peut estimer que la température qui règne dans la bulle est de l’ordre d’environ 25 000 degrés ! Même si le mécanisme n’est pas totalement élucidé, tout porte à croire qu’à l’intérieur de la bulle se forme un plasma, c’est-à-dire un gaz ionisé (par exemple des ions Ar+ ou Xe+), et que l’interaction entre les électrons ainsi libérés et les ions provoque l’émission de lumière.

La question des mécanismes et des températures régnant dans la bulle fait encore débat aujourd’hui. Certains ont même poussé le bouchon beaucoup plus loin, et affirmé que dans la bulle peut se produire de la fusion nucléaire ! (voir [2]). Néanmoins, il semble que ces affirmations soient fortement mises en doute aujourd’hui, et que personne n’ait réussi à reproduire l’expérience (Eh oui, on ne peut pas toujours se fier aux publis dans Science…)


Pour aller plus loin …

Pour les fans de thermodynamique, vous savez (ou savez montrer) que la compression adiabatique d’un gaz obéit à la loi

PV^{\gamma} = constante

\gamma, l’indice adiabatique est égal pour un gaz parfait au ratio des capacités calorifiques à pression et à volume constant. On peut en tirer l’élévation de température lors d’une réduction de volume adiabatique

\frac{T_2}{T_1} = \left(\frac{V_1}{V_2}\right)^{(\gamma-1)}

Dans le cas d’un gaz parfait, l’indice adiabatique dépend 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, ça fait un grosse différence pour l’élévation de température. Cela justifie donc que la sonoluminescence soit principalement associée aux gaz rares (lourds et monoatomiques) plutôt qu’à l’oxygène ou à l’azote, comme le montre le graphique concernant les spectres lumineux.

Concernant la manip, j’ai peut-être donné l’impression que c’était facile, mais ça ne l’est pas du tout ! Je me souviens avoir vu pour la première fois cette expérience sur une simple table, montée par un de mes camarades aux talents d’expérimentateur très supérieurs aux miens (Boris, si tu me lis…) et je n’ai pas bien mesuré à l’époque le tour de force que cela représentait.

Une application intéressante de la sonoluminescence, c’est la sonochimie : l’idée de créer des conditions extrêmes de température et de pression pour déclencher des réactions chimiques autrement difficile à obtenir.

Enfin pour le fun, il a même été fait un film avec Keanu Reeves et Morgan Freeman concernant la sonoluminescence comme source d’énergie. Le récit (assez drôle) d’un des auteurs de la publi [1], contacté pour servir de consultant / fournisseur de locaux : http://www.scs.illinois.edu/suslick/hollywood.html. Apparemment on peut se dispenser de voir le film…

Références :

[1] Suslick, Kenneth S., and David J. Flannigan. « Inside a collapsing bubble: sonoluminescence and the conditions during cavitation. » Annu. Rev. Phys. Chem. 59 (2008): 659-683.
[2] Taleyarkhan, R. P., et al. « Evidence for nuclear emissions during acoustic cavitation. » Science 295.5561 (2002): 1868-1873.
 

13 réflexions sur “La sonoluminescence : une étoile dans un verre d’eau

  1. Pingback: La sonoluminescence : une étoile dans un...

  2. David,
    Merci pour cet article sur la sono-luminescence. Juste une remarque : il me semble qu’un prof de ( seth Putterman) avait montré que cela pouvait apparaître aussi juste lors de la cavitation. Sinon encore bravo pour ton dite web. Dda

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  5. Bonjour,
    Étant en en classe prépa, je dois réaliser un TIPE (Travail d’initiative personnelle encadré), et avec mes camarades, nous aimerions travailler sur la sono-luminescence, donc d’ores et déjà merci pour ces explications. Mais nous avons un gros problème qui pourrait être rédhibitoire, le fait de ne pas réussir à réaliser l’expérience. Comme vous dites que vous connaissez quelqu’un qui a réussi à voir ce phénomène, nous aimerions le contacter pour lui demander quelques indications pour réaliser cette expérience. Pouvez-vous nous donner un moyen de le contacter ?
    Merci d’avance.

  6. Pingback: Tpesevigne | Pearltrees

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