Взрыв металла при ударе – это гипотеза о резком изменении физического состояния металла в результате интенсивного выделения в нем энергии при ударном торможении проводника, предполагающая, что энергия, которая выделяется при взрыве существенно больше энергии движения металлического тела до его соударения.
Гипотезу о выделении из металла энергии, которую искусственно внесли в вещество при металлургическом процессе, выдвинул еще в 1929 голу В. П. Глушко.
Исследователь показал, что:
- Металл может служить взрывчатым веществом.
- Уран – это лучшее взрывчатое вещество среди металлов.
Глушко проводил анализ электрического взрыва металлов.
Гипотеза о взрыве металла при ударе подвергается резкой критики со стороны большинства физиков.
Так, например, невозможность выделения энергии из металла объясняется тем, что энергия связи в нем меньше нуля (отрицательна) и не способна превратиться в положительную кинетическую энергию атомов.
Дополнительную энергию, которая возникает при ударе снаряда о броню, объясняют физическими и химическими процессами, происходящими при взаимодействии соударяющихся объектов.
Новое явление в физике?
В МГТУ им. Баумана проводятся исследования анализа ядерно-физических процессов, которые может вызвать инерциальный взрыв металлов.
Ученые заявляют, что наблюдают новое физическое явление, которое называют инерциальным взрывом металлов. Это явление происходит при соударении металлических тел, которые обладают скоростью взаимного сближения около $10^3 – 1,7 \bullet 10^3 \frac{м}{с}$.
Взрыв металлов при этом объясняется полным или фрагментарным срывом электронного облака в результате удара металлического тела о преграду из металла, которое сопровождает полное или частичное взаимное расталкивание ионов в узлах кристаллической решетки.
Структура металлов известна:
- ее основой является кристаллическая решетка, в узлах которой располагаются положительно заряженными ионами;
- пространство между ионами заполняют электроны, несущие отрицательные заряды. Хаотическое перемещение электронов уподобляют движению молекул газа.
Твердое тело способно сохранять свою форму из-за динамического равновесия электростатических сил ионов друг с другом и с электронным газом. Данное равновесие обеспечено электрической нейтральностью ионно-электронной системы. Нарушение равновесия приводит к разрушению решетки, то есть кулоновскому взрыву металла.
В процессе удара металлическое тело деформируется и повышает свою температуру, кристаллическая решетка вещества может разрушаться.
К примерам взрывов металлов относят взрывы металлических метеоритов при ударах о поверхность Земли.
Среди метеоритов выделяют:
- железные метеориты,
- железокаменные метеориты,
- каменные метеориты.
Железные метеориты имеют в своем составе: $89,7$ %- железа; $9,1$% - никеля; $0,62$ %- кобальта.
Металлические метеориты обладают кристаллической структурой с металлической связью, которая может разрушаться при ударе о твердую поверхность.
Вероятность взрыва метеорита связана со скоростью ($v$) встречи его и земной поверхности.
- При $v$
- Если $2\bullet 10^3$
Значит, что при скоростях заключенных в интервале $2\bullet 10^3$
Решетка будет разрушена целиком, если до удара о поверхность метеорит обладал кинетической энергией, равной:
$E\geq \frac{m_p A v^2}{2q_e}\approx 4,48 $ эВ/атом (1),
где $m_p$ - масса протона; $A$ - атомная масса железа; $q_e$ - заряд электрона. Напомним, что энергия металлической связи железа равно $E_{sv}=4,29$эВ/атом.
Основываясь на том, что получили $E \approx E_{sv}$ можно сделать вывод о том, что взрыв металлического тела при ударе может произойти, если
$v \geq \sqrt{\frac{2E}{m}}\approx 10^4 \sqrt{\frac{2E_{sv}}{A}}(2).$
Вероятность того, какая доля металлического тела будет разрушена в ходе взрыва, зависит от отношения кинетической энергии атома материала к энергии связи, стремящейся сохранить кристаллическую решетку без изменений.
$f=\frac{E}{E_{sv}}.$
Чем более близко данное отношение к единице, тем больше вероятность, что большая доля ударяющегося металлического тела будет разрушена.
Критика изложенной выше теории
И так, авторы гипотезы об ударном взрыве металла в описанном выше случае полагают, что в ходе удара металлического тела о преграду, кристаллическая решетка металла остановилась, при этом электроны продолжили движение. Часть электронов ушла из пространства между ионами решетки, в результате ионы отталкиваются друг от друга, что и ведет к взрыву вещества.
Однако надо учитывать, что ионы кристаллической решетки металла нельзя назвать жестким единым массивом (в масштабах микромира), при этом большая часть массы металла сосредотачивается именно в узлах решетки. Электронный газ играет малую роль, так как имеет незначительный атомный вес, большую подвижность и относительно тесную связь с узлами решетки.
При контакте (в ходе удара) металлов узлы решеток разных металлических тел сближаются между собой. Происходит надавливание дальних перемещающихся слоев решетки тела и мишени. Если скорости достигают критических значений, то идет деформация электронных облаков, баланс «своих» электронов нарушается (происходит ограниченная атомная реакция), с частичным слиянием электронных оболочек и видоизменению ядер. При таких условиях металл способен вести себя как распадающееся вещество, при этом выделяется энергия связи.
Возможно, так же возникновение колебаний в плотности электронного газа, которое связано со сдвигом узлов решетки, сопровождающееся веерообразным рассеиванием и разрывами связей атомов мишени.
