МЕТАЛ ВИБУХАЄТЬСЯ, Наука і життя
Доктор технічних наук М. Марахтанов, професор МДТУ ім. Н. Е. Баумана та А. Марахтанов, аспірант Каліфорнійського університету, м. Берклі (США)
На початку 2001 року з'явилося багато повідомлень про боєприпаси з збідненого урану (U 238 , що залишається після виділення з природної суміші ізотопів U 235 , що ділиться матеріалу для АЕС і атомної зброї), які володіють "приголомшливою ефективністю" за рахунок дії, що пропалює. Повідомлялося, що 120-мм снаряд із початковою швидкістю близько 1700 м/с пробиває навиліт один танк, а потім пропалює броню іншого. Пробивши броню, він викидає всередину хмару, що горить, дрібних, як пил, частинок. Кількість пилу, що спалює, досягає 20% від маси уранового снаряда.
Застосовувати гострі болванки з твердого важкого металу як бронебійні снаряди почали давно. Зазвичай матеріалом їм служив вольфрам, має щільність 19,3 г/см 3 і твердість по Бринеллю 4150 МПа. Твердість звичайних сталей не перевищує 2700 МПа (і тільки дуже дорога високоміцна сталь складного складу має твердість більше 5000 МПа), а їх щільність набагато нижче - близько 7,8 г/см 3 . Але працювати з вольфрамом важко: через високу твердість він практично не піддається обробці різанням і штампуванням, а висока температура плавлення (близько 3400 ° С) робить лиття складним технологічним завданням.
І під час Другої світової війни Німеччина вже почала замінювати вольфрам у своїх бронебійних снарядах технологічнішим ураном з температурою плавлення 1400°С. Вони практично не відрізняються масою (18,95 г/см 3 ), але твердість урану нижче (2160 МПа). Швидкість снарядів тоді була невисокою – 870-990 м/с, і ніхто не помітив переваги впливу уранових боєприпасів у порівнянні з вольфрамовими.
Не отримав належногопояснення та ефект виділення енергії з метеоритів, що демонструє нам сама природа. Більшість метеоритів залізні, як і артилерійські снаряди. Їх швидкість біля Землі становить 700-4000 м/с. Якщо швидкість невелика, близько 700 м/с, то 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 1920 року.
При ударі зі швидкістю 2000 - 4000 м/с метеорит зникає, і при його вибуху виділяється стільки енергії, що на місці падіння утворюється величезний кратер (залізний Аризонський метеорит, що впав у 1891 році, наприклад, залишив кратер діаметром 1207 м і глибиною 170 м). У таких кратерах ніколи не знаходять великих метеоритних тіл: практично вся маса твердого метеориту перетворюється на пару.
Усі ці факти дозволяють помітити такі закономірності. По-перше, рух металевих тіл в обох випадках закінчується ударом об тверду перешкоду. По-друге, якщо їх швидкість до удару була меншою за деяку величину, нічого особливого не відбувалося, але якщо більше, то при ударі або виділялася зайва теплота, або тіло вибухало. Нам вдалося зрозуміти причину цього дивного явища та виявити невідому раніше властивість металу.
Структурною основою будь-якого металу служить жорсткі кристалічні грати, вузли якої зайняті позитивними іонами. Простір з-поміж них заповнено майже вільними негативними електронами, хаотичний рух яких нагадує звичайний газ. Ґрати зберігають свою форму тільки завдяки енергії металевого зв'язку, що існує між цими різноіменно зарядженими частинками. Під енергією зв'язку мають на увазі енергію, яка потрібна для сублімації або поділу твердого тіла на окремінейтральні атоми за його вихідної температури 0 До.
Електростатичні сили притягують іони до електронів і можна сказати, що електронний газ, як клей, скріплює грати. Поки існує металевий зв'язок, обидва сорти частинок перебувають у енергетичній рівновазі. Для його порушення, каже теорія твердого тіла, необхідно, "щоб кінетична енергія системи (іонів та електронів) лише трохи зросла". Але чому одно це "трохи", досі залишалося невідомим. Водночас, згідно з квантовою теорією, якщо хмара електронів якимось чином упорядкувати, їхня кінетична енергія зросте. Іншими словами, варто хоча б частину вільних електронів згрупувати, "відволікти" від ролі клею, зібравши, наприклад, у спрямований потік, як однойменно заряджені іони миттєво покинуть вузли ґрат, відштовхуючись один від одного. У цьому полягає постійна готовність металевого кристала до вибуху.
При традиційній обробці металу - ковці, штампуванні та плавці - теплова або механічна енергія підводиться до всіх іонів та електронів одночасно. Тому у металевих кристалах зберігається енергетична рівновага зарядів. При підвищенні внутрішньої енергії метал послідовно переходить спочатку в рідкий стан, а потім і в пар. Але рівноважний стан кристалів виключає їхній вибух.
Тим не менш, підірвати метал можна двома силами: електричною або механічною, впливаючи ними тільки на вільні електрони. У лабораторних умовах легше користуватися електричною силою. Вражають у 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) суттєво змінює характеристики металів. Їхній опір нарозрив зменшується, а модуль пружності знижується на 18%. Виходить так: якщо немає струму та вільні електрони рухаються хаотично, вони надійно "склеюють" вузли грат, захищають метал від розриву, забезпечують його високу пружність. Але варто сформувати з них спрямований потік, як метал стає податливим до дії сили. А що стане з металом, якщо електричний струм продовжуватиме збільшувати, але метал охолоджувати, зберігаючи його твердий стан?
Автори проробили подібні досліди, пропускаючи струм металевими плівками завтовшки кілька сотень атомарних шарів. У такому тонкому шарі метал добре охолоджувався повітрям і нагрівався не вище 180°С.
Електричний вибух твердого металу виявився дуже ефективним. Енергія зв'язку кожного атома, наприклад, заліза, перетворена на енергію вибуху, становить близько 8 · 10 6 Дж/кг (відома вибухова речовина тротил вдвічі слабша). Разом про те ефективність вибухових речовин оцінюється як енергією, а й потужністю, тобто ставленням енергії вибуху до його тривалості. Завдяки короткочасності потужність вибуху металу в сотні разів більша, ніж у того ж тротилу.
Проведені досліди дозволили, нарешті, визначити ту величину надлишку кінетичної енергії вільних електронів, яка порушує рівновагу частинок у металевому кристалі. Ми встановили, що найважче підірвати легкий алюміній. Для цього потрібна 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.
Вплив механічної сили на вільні електрони помітили давно. Найбільш відомий досвід Толмена і Стюарта (Tolman R. C., Stewart T. D., 1916), в якому котушкумідного дроту розкручували, як дзига, до лінійної швидкості 19,8 - 56,4 м/с, а потім різко зупиняли з негативним прискоренням 39,6 - 282 м/с 2 . Цього виявилося достатньо, щоб вільні електрони пролітали за інерцією повз загальмованих іонів, виплескувалися з міді у зовнішній ланцюг і фіксувалися гальванометром як імпульс електричного струму. Струм, однак, був настільки слабкий, що не викликав у металі жодних змін. Швидкість та прискорення метеоритів та снарядів набагато вища, тому при їх гальмуванні виникає нове явище.
Розглянемо снаряд як котушку, що зупиняється. Його атоми жорстко пов'язані кристалічними ґратами в єдиний масив. Коли снаряд ударяє в броню, грати зупиняються, але вільні електрони продовжують рухатися за інерцією так само, як у досвіді Толмена та Стюарта. Тільки тепер їх прискорення щодо іонів дорівнює приблизно 107 м/с 2 . Оскільки швидкість спрямованого електронного потоку пропорційна прискоренню, вважатимуться, що з гальмуванні снаряда вона у п'ять порядків більше, як із зупинці мідної котушки. Це означає, що кінетична енергія спрямованого потоку електронів у снаряді буде на десять порядків вищою, ніж у міді. Саме ця енергія, обумовлена локалізацією вільних електронів, і спричиняє частковий розпад снаряда або повний вибух метеориту.
Ознаками, визначальними, вибухне метал чи ні, служать швидкість 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 у металі та їх відношення α = W/ε
З таблиці видно, що кінетична енергія W атомів розглянутих тіл набагато менше енергії зв'язку металу, з якого ці тіла складаються,a 235 , W 184 , Fe 56 . Уран відповідає цим вимогам найкраще. Пропалюючий ефект уранових снарядів виражений дуже яскраво, а у сталевих не спостерігається зовсім.