А. У вузлах кристалічної решітки знаходяться позитивні іони металу. А оскільки однойменні заряди відштовхуються і прагнуть розлетітися, решітка повинна бути нестійкою.

B. Іони в вузлах кристалічної решітки роблять невеликі коливання навколо точки рівноваги. Як тільки іон відходить від вузла, що звільнилося місце займають негативно заряджені електрони, які своїм полем притягують іон, повертаючи його на місце.

C. Якщо електрони провідності залучити до спрямований рух (створити електричний струм), вони вже не будуть "встигати" впливати на тікають іони і кристал миттєво вибухне, виділивши енергію зв'язку.

Коли по дроті протікає електричний струм невеликої щільності, його величина залишається однаковою по всій довжині дроту і вона нагрівається рівномірно.

Цей унікальний кадр відеофільму демонструє макроскопічне прояв квантових процесів - виникнення періодичних стрибків температури металу вздовж сталевого дроту діаметром 0,3 мм під час протікання по ній електричного струму силою 48,6 А.

Хвильова деформація поверхні лакового шару, яка наочно демонструє ефект перерозподілу концентрації вільних електронів в тонких металевих плівках.

Досвід Толмена і Стюарта. Котушку з мідним дротом розкручували до високої швидкості і різко гальмували.

Наука і життя // Ілюстрації

<

>

На початку 2001 року з'явилося багато повідомлень про боєприпаси зі збідненого урану (U238, що залишається після виділення з природної суміші ізотопів U235, що ділиться матеріалу для АЕС і атомної зброї), які володіють "приголомшливою ефективністю" за рахунок пропалює дії. Повідомлялося, що 120-мм снаряд з початковою швидкістю близько 1700 м / с пробиває навиліт один танк, а потім пропалює броню іншого. Пробивши броню, він вивергає всередину палаюче хмара дрібних, як пил, частинок. Кількість спалює пилу досягає 20% від маси уранового снаряда.

Застосовувати гострі болванки з твердого важкого металу в якості бронебійних снарядів почали давно. Зазвичай матеріалом для них служив вольфрам, що має щільність 19,3 г / см3 і твердість по Брінеллю 4150 МПа. Твердість же звичайних став не перевищують 2700 МПа (і тільки дуже дорога високоміцна сталь складного складу має твердість більше 5000 МПа), а їх щільність набагато нижче - близько 7,8 г / см3. Але працювати з вольфрамом важко: через високу твердості він практично не піддається обробці різанням і штампуванні, а висока температура плавлення (близько 3400 ° С) робить лиття складної технологічної завданням.

І під час Другої світової війни Німеччина вже почала замінювати вольфрам в своїх бронебійних снарядах більш технологічним ураном з температурою плавлення 1400 ° С. Вони практично не відрізняються по масі (18,95 г / см3), але твердість урану нижче (2160 МПа). Швидкість снарядів тоді була невисокою - 870-990 м / с, і ніхто не помітив переваги впливу уранових боєприпасів в порівнянні з вольфрамовими.

Чи не отримав належного пояснення і ефект виділення енергії з метеоритів, який демонструє нам сама природа. Більшість метеоритів залізні, як і артилерійські снаряди. Їх швидкість у поверхні Землі становить 700-4000 м / с. Якщо швидкість невелика, близько 700 м / с, то на місці падіння метеорита утворюється яма, що збігається з його контуром, а сам метеорит залишається цілим. Так було з 60-тонним метеоритом Гоба, знайденим на південному заході Африки в 1920 році.

При ударі зі швидкістю 2000 - 4000 м / с метеорит зникає, і при його вибуху виділяється стільки енергії, що на місці падіння утворюється величезний кратер (впав в 1891 році залізний Арізонський метеорит, наприклад, залишив кратер діаметром 1207 м і глибиною 170 м). У таких кратерах ніколи не знаходять великих метеоритних тел: практично вся маса твердого метеорита перетворюється в пар.

Всі ці факти дозволяють помітити наступні закономірності. По-перше, рух металевих тел в обох випадках закінчується ударом об тверду перешкоду. По-друге, якщо їх швидкість до удару була менше деякої величини, нічого особливого не відбувалося, але якщо більше, то при ударі або виділялася зайва теплота, або тіло вибухало. Нам вдалося зрозуміти причину цього дивного явища і виявити невідому раніше властивість металу.

Структурною основою будь-якого металу служить жорстка кристалічна решітка, вузли якої зайняті позитивними іонами. Простір між ними заповнений майже вільними негативними електронами, хаотичний рух яких нагадує звичайний газ. Решітка зберігає свою форму тільки завдяки енергії металевої зв'язку, що існує між цими разноименно зарядженими частинками. Під енергією зв'язку мають на увазі енергію, яка потрібна для сублімації або поділу твердого тіла на окремі нейтральні атоми при своїй незміненій температурі 0 К.

Електростатичні сили притягують іони до електронів, і можна сказати, що електронний газ, як клей, скріплює грати. Поки існує металева зв'язок, обидва сорти частинок перебувають в енергетичному рівновазі. Для його порушення, каже теорія твердого тіла, необхідно, "щоб кінетична енергія системи (іонів і електронів) лише трохи зросла". Але чому одно це "трохи", до сих пір залишалося невідомим. Разом з тим, відповідно до квантової теорії, якщо хмара електронів якимось чином впорядкувати, їх кінетична енергія зросте. Іншими словами, варто хоча б частину вільних електронів згрупувати, "відвернути" від ролі клею, зібравши, наприклад, в спрямований потік, як однойменно заряджені іони миттєво покинуть вузли решітки, відштовхуючись один від одного. В цьому і криється постійна готовність металевого кристала до вибуху.

При традиційній обробці металу - кування, штампування і плавці - теплова або механічна енергія підводиться до всіх іонів і електронів одночасно. Тому в металевих кристалах зберігається енергетичну рівновагу зарядів. При підвищенні їх внутрішньої енергії метал послідовно переходить спочатку в рідкий стан, а потім і в пар. Але рівноважний стан кристалів виключає їх вибух.

Проте підірвати метал можна двома силами: електричної або механічної, впливаючи ними тільки на вільні електрони. У лабораторних умовах простіше користуватися електричною силою. Вражають в цьому сенсі досліди французького фізика Георга Вертгейма (G. Wertheim). У 1844-1848 роках він показав, що невеликий електричний струм (приблизно в 10 разів сильніший, ніж у звичайній електропроводці) істотно змінює характеристики металів. Їх опір на розрив зменшується, а модуль пружності знижується на 18%. Виходить так: якщо немає струму і вільні електрони рухаються хаотично, вони надійно "склеюють" вузли решітки, захищають метал від розриву, забезпечують його високу пружність. Але варто сформувати з них спрямований потік, як метал стає податливим до впливу сили. А що стане з металом, якщо електричний струм продовжувати збільшувати, але метал охолоджувати, зберігаючи його твердий стан?

Автори виконали подібні досліди, пропускаючи струм по металевим плівкам товщиною кілька сотень атомарних шарів. В такому тонкому шарі метал добре охолоджувався повітрям і нагрівався не вище 180 ° С.

Щільність струму j в плівках збільшували в 1000 разів у порівнянні зі звичайним проводом. При значеннях j = (1,43 ÷ 8,04) · 109 А / м2 (відповідно вольфрам і алюміній) енергетичну рівновагу в кристалах порушувалося настільки, що вони вибухали, минаючи рідкий стан, за кілька мікросекунд. Відомо, що щільність струму пропорційна швидкості потоку електронів, а кінетична енергія пропорційна квадрату швидкості. Тому, коли щільність струму збільшувалася в тисячу разів, кінетична енергія спрямованого (локалізованого) потоку електронів зростала в мільйон разів. Цього виявилося достатньо, щоб "відвернути" вільні електрони від ролі "клею" і підірвати кристалічну решітку. Спосіб вибуху твердого металу за допомогою електричної сили, а також джерело енергії, заснований на цьому принципі, автори запатентували в 2000 році.

Електричний вибух твердого металу виявився досить ефективним. Енергія зв'язку кожного атома, наприклад, заліза, перетворена в енергію вибуху, становить близько 8 · 106 Дж / кг (відоме вибухову речовину тротил вдвічі слабкіше). Разом з тим ефективність вибухових речовин оцінюється не тільки енергією, але і потужністю, тобто відношенням енергії вибуху до його тривалості. Завдяки короткочасність потужність вибуху металу в сотні разів більше, ніж у того ж тротилу.

Проведені досліди дозволили нарешті визначити ту величину надлишку кінетичної енергії вільних електронів, яка порушує рівновагу частинок в металевому кристалі. Ми встановили, що найважче підірвати легкий алюміній. Для цього потрібно електрична енергія ß = 1/66 його енергії зв'язку. Найлегше вибухає важкий вольфрам - необхідна енергія становить лише 1/2133 енергії зв'язку, і ккд вибуху близький до 100%, оскільки він дорівнює (1 - ß) · 100.

Дія механічної сили на вільні електрони помітили давно. Найбільш відомий досвід Толмена і Стюарта (Tolman RC, Stewart TD, 1916 рік), в якому котушку мідного дроту розкручували, як дзига, до лінійної швидкості 19,8 - 56,4 м / с, а потім різко зупиняли з негативним прискоренням 39, 6 - 282 м / с2. Цього виявилося достатньо, щоб вільні електрони пролітали по інерції повз загальмованих іонів, вихлюпувались з міді в зовнішній ланцюг і фіксувалися гальванометром як імпульс електричного струму. Струм, однак, був настільки слабкий, що не викликав в металі ніяких змін. Швидкість і прискорення метеоритів і снарядів набагато вище, тому при їх гальмуванні виникає нове явище.

Розглянемо снаряд як зупинятися котушку. Його атоми жорстко пов'язані кристалічною решіткою в єдиний масив. Коли снаряд вдаряє в броню, решітка зупиняється, але вільні електрони продовжують рухатися за інерцією так само, як в досвіді Толмена і Стюарта. Тільки тепер їх прискорення щодо іонів дорівнює приблизно 107 м / с2. Оскільки швидкість спрямованого електронного потоку пропорційна прискоренню, можна вважати, що при гальмуванні снаряда вона на п'ять порядків більше, ніж при зупинці мідної котушки. Це означає, що кінетична енергія спрямованого потоку електронів в снаряді буде на десять порядків вище, ніж в міді. Саме ця енергія, обумовлена ​​локалізацією вільних електронів, і викликає частковий розпад снаряда або повний вибух метеорита.

Ознаками, що визначають, вибухне метал чи ні, служать швидкість v руху тіла перед ударом, атомна маса А металу, з якого воно складається, кінетична енергія W ≈10-8 Av 2/2 (в електронвольтах) кожного його атома, відповідна швидкості руху, енергія ε зв'язку частинок в металі і їхнє ставлення α = W / ε

З таблиці видно, що кінетична енергія W атомів розглянутих тел набагато менше енергії зв'язку металу, з якого ці тіла складаються, a

Тепер можна відповісти на питання, поставлене на самому початку.

Автор статті "Енергія" з нізвідки "виміряв теплоту, отриману мішенню, і порахував, що ця енергія з'явилася невідомо звідки тому, що кінетична енергія снаряда менше, ніж теплова енергія" перегрітої "мішені. Але, зваживши снаряд до і після удару, він виявив б, що снаряд став легше. Розрахунки показують, що для отримання 48% надлишкової теплової енергії снаряд масою 88,5 грама повинен втратити тільки 4,2 грама металу. Зникла кристалічна маса перетворилася на пару, виділивши ту надлишкову енергію, яка "перегрівся" мішень . Так і м чином, порушення закону збереження енергії не відбулося.

Отже, якщо потрібно, щоб металева болванка вибухнула, вдаривши об тверду перешкоду, необхідно збільшити її швидкість і вибрати для неї метал з максимальною атомною масою і мінімальною енергією зв'язку. За цими ознаками метали, здатні вибухати при механічному взаємодії, утворюють ряд U235, W184, Fe56. Уран відповідає цим вимогам найкраще. Пропалює ефект уранових снарядів виражений дуже яскраво, а у сталевих не спостерігається зовсім.