Металл взрывается

В 1988 году журнал опубликовал статью доктора технических наук, академика Российской академии ракетно-артиллерийских наук В.В. Яворского "Энергия "из ниоткуда" (см. "Наука и жизнь" ¦C10). В ней сообщалось, что при работе над средствами поражения брони было обнаружено крайне любопытное явление. При внедрении в стальную плиту бронебойного снаряда из твердого металла массой 4 килограмма, не снаряженного взрывчатым веществом, вокруг пробоины возникала зона цветов побежалости, свидетельствующая о сильном нагреве. Оценка показала, что количество выделившегося тепла было в несколько раз больше кинетической энергии снаряда. Кпд процесса превышал 400%! Исследования на моделях — легких ударниках и прямые измерения количества выделившегося тепла в калориметре подтвердили наличие странного явления. Превышение тепловой энергии над кинетической для модели массой 61,5 грамма составило 20%, массой 88,5 грамма — 48%: явно прослеживалась роль масштабного фактора. Сотрудники ФИАН им. П.Н. Лебедева, к которым обратились за консультацией, объяснить происходящее не смогли, но указали, что обнаруженный дисбаланс энергий говорит о большой сложности протекающих при ударе процессов. Объяснить физическую суть явления и обнаружить новое, неизвестное ранее свойство металла сумели авторы настоящей статьи.

В начале 2001 года появилось много сообщений о боеприпасах из обедненного урана (U238, остающегося после выделения из природной смеси изотопов U235, делящегося материала для АЭС и атомного оружия), которые обладают "потрясающей эффективностью" за счет прожигающего действия. Сообщалось, что 120-мм снаряд с начальной скоростью около 1700 м/с пробивает навылет один танк, а затем прожигает броню другого. Пробив броню, он извергает внутрь горящее облако мелких, как пыль, частиц. Количество сжигающей пыли достигает 20% от массы уранового снаряда.

Применять остроконечные болванки из твердого тяжелого металла в качестве бронебойных снарядов начали давно. Обычно материалом для них служил вольфрам, имеющий плотность 19,3 г/см3 и твердость по Бринеллю 4150 МПа. Твердость же обычных сталей не превышает 2700 МПа (и только очень дорогая высокопрочная сталь сложного состава имеет твердость более 5000 МПа), а их плотность гораздо ниже — около 7,8 г/см3. Но работать с вольфрамом трудно: из-за высокой твердости он практически не поддается обработке резанием и штамповке, а высокая температура плавления (около 3400¦С) делает литье сложной технологической задачей.

И во время Второй мировой войны Германия уже начала заменять вольфрам в своих бронебойных снарядах более технологичным ураном с температурой плавления 1400¦С. Они практически не отличаются по массе (18,95 г/см3), но твердость урана ниже (2160 МПа). Скорость снарядов тогда была невысокой — 870-990 м/с, и никто не заметил преимущества воздействия урановых боеприпасов по сравнению с вольфрамовыми.

Не получил должного объяснения и эффект выделения энергии из метеоритов, который демонстрирует нам сама природа. Большинство метеоритов железные, как и артиллерийские снаряды. Их скорость у поверхности Земли составляет 700-4000 м/с. Если скорость невелика, около 700 м/с, то на месте падения метеорита образуется яма, совпадающая с его контуром, а сам метеорит остается целым. Так было с 60-тонным метеоритом Гоба, найденным на юго-западе Африки в 1920 году.

При ударе со скоростью 2000 — 4000 м/с метеорит исчезает, и при его взрыве выделяется столько энергии, что на месте падения образуется огромный кратер (упавший в 1891 году железный Аризонский метеорит, например, оставил кратер диаметром 1207 м и глубиной 170 м). В таких кратерах никогда не находят крупных метеоритных тел: практически вся масса твердого метеорита превращается в пар.

Все эти факты позволяют заметить следующие закономерности. Во-первых, движение металлических тел в обоих случаях заканчивается ударом о твердую преграду. Во-вторых, если их скорость до удара была меньше некоторой величины, ничего особенного не происходило, но если больше, то при ударе либо выделялась лишняя теплота, либо тело взрывалось. Нам удалось понять причину этого странного явления и обнаружить неизвестное ранее свойство металла.

Структурной основой любого металла служит жесткая кристаллическая решетка, узлы которой заняты положительными ионами. Пространство между ними заполнено почти свободными отрицательными электронами, хаотическое движение которых напоминает обычный газ. Решетка сохраняет свою форму только благодаря энергии металлической связи, существующей между этими разноименно заряженными частицами. Под энергией связи подразумевают энергию, которая требуется для сублимации или разделения твердого тела на отдельные нейтральные атомы при его исходной температуре 0 К.

Электростатические силы притягивают ионы к электронам, и можно сказать, что электронный газ, как клей, скрепляет решетку. Пока существует металлическая связь, оба сорта частиц пребывают в энергетическом равновесии. Для его нарушения, говорит теория твердого тела, необходимо, "чтобы кинетическая энергия системы (ионов и электронов) лишь немного возросла". Но чему равно это "немного", до сих пор оставалось неизвестным. Вместе с тем, согласно квантовой теории, если облако электронов каким-то образом упорядочить, их кинетическая энергия возрастет. Иными словами, стоит хотя бы часть свободных электронов сгруппировать, "отвлечь" от роли клея, собрав, например, в направленный поток, как одноименно заряженные ионы мгновенно покинут узлы решетки, отталкиваясь друг от друга. В этом и кроется постоянная готовность металлического кристалла к взрыву.

При традиционной обработке металла — ковке, штамповке и плавке — тепловая или механическая энергия подводится ко всем ионам и электронам одновременно. Поэтому в металлических кристаллах сохраняется энергетическое равновесие зарядов. При повышении их внутренней энергии металл последовательно переходит сначала в жидкое состояние, а затем и в пар. Но равновесное состояние кристаллов исключает их взрыв.

Тем не менее взорвать металл можно двумя силами: электрической или механической, воздействуя ими только на свободные электроны. В лабораторных условиях проще пользоваться электрической силой. Поразительны в этом смысле опыты французского физика Георга Вертгейма (G. Wertheim). В 1844-1848 годах он показал, что небольшой электрический ток (примерно в 10 раз более сильный, чем в обычной электропроводке) существенно меняет характеристики металлов. Их сопротивление на разрыв уменьшается, а модуль упругости снижается на 18%. Получается так: если нет тока и свободные электроны движутся хаотически, они надежно "склеивают" узлы решетки, защищают металл от разрыва, обеспечивают его высокую упругость. Но стоит сформировать из них направленный поток, как металл становится податливым к воздействию силы. А что станет с металлом, если электрический ток продолжать увеличивать, но металл охлаждать, сохраняя его твердое состояние?

Авторы проделали подобные опыты, пропуская ток по металлическим пленкам толщиной несколько сотен атомарных слоев. В столь тонком слое металл хорошо охлаждался воздухом и нагревался не выше 180¦С.

Плотность тока j в пленках увеличивали в 1000 раз по сравнению с обычным проводом. При значениях j= (1,43 8,04) 109 А/м2 (соответственно вольфрам и алюминий) энергетическое равновесие в кристаллах нарушалось настолько, что они взрывались, минуя жидкое состояние, за несколько микросекунд. Известно, что плотность тока пропорциональна скорости потока электронов, а кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Поэтому, когда плотность тока увеличивалась в тысячу раз, кинетическая энергия направленного (локализованного) потока электронов возрастала в миллион раз. Этого оказалось достаточно, чтобы "отвлечь" свободные электроны от роли "клея" и взорвать кристаллическую решетку. Способ взрыва твердого металла с помощью электрической силы, а также источник энергии, основанный на этом принципе, авторы запатентовали в 2000 году.

Электрический взрыв твердого металла оказался весьма эффективным. Энергия связи каждого атома, например, железа, превращенная в энергию взрыва, составляет около 8 106 Дж/кг (известное взрывчатое вещество тротил вдвое слабее). Вместе с тем эффективность взрывчатых веществ оценивается не только энергией, но и мощностью, то есть отношением энергии взрыва к его продолжительности. Благодаря кратковременности мощность взрыва металла в сотни раз больше, чем у того же тротила.

Проведенные опыты позволили наконец определить ту величину избытка кинетической энергии свободных электронов, которая нарушает равновесие частиц в металлическом кристалле. Мы установили, что труднее всего взорвать легкий алюминий. Для этого требуется электрическая энергия?=1/66 его энергии связи. Легче всего взрывается тяжелый вольфрам — необходимая энергия составляет только 1/2133 энергии связи, и кпд взрыва близок к 100%, поскольку он равен (1 —?) 100.

Действие механической силы на свободные электроны заметили давно. Наиболее известен опыт Толмена и Стюарта (Tolman R. C., Stewart T. D., 1916 год), в котором катушку медного провода раскручивали, как волчок, до линейной скорости 19,8 — 56,4 м/с, а потом резко останавливали с отрицательным ускорением 39,6 — 282 м/с2. Этого оказалось достаточно, чтобы свободные электроны пролетали по инерции мимо заторможенных ионов, выплескивались из меди во внешнюю цепь и фиксировались гальванометром как импульс электрического тока. Ток, однако, был настолько слаб, что не вызывал в металле никаких изменений. Скорость и ускорение метеоритов и снарядов намного выше, поэтому при их торможении возникает новое явление.

Рассмотрим снаряд как останавливающуюся катушку. Его атомы жестко связаны кристаллической решеткой в единый массив. Когда снаряд ударяет в броню, решетка останавливается, но свободные электроны продолжают двигаться по инерции так же, как в опыте Толмена и Стюарта. Только теперь их ускорение относительно ионов равно примерно 107 м/с2. Поскольку скорость направленного электронного потока пропорциональна ускорению, можно считать, что при торможении снаряда она на пять порядков больше, чем при остановке медной катушки. Это значит, что кинетическая энергия направленного потока электронов в снаряде будет на десять порядков выше, чем в меди. Именно эта энергия, обусловленная локализацией свободных электронов, и вызывает частичный распад снаряда или полный взрыв метеорита.

Признаками, определяющими, взорвется металл или нет, служат скорость v движения тела перед ударом, атомная масса А металла, из которого оно состоит, кинетическая энергия W 10-8Av2/2 (в электронвольтах) каждого его атома, соответствующая скорости движения, энергия E связи частиц в металле и их отношение a= W/E.

Из таблицы видно, что кинетическая энергия W атомов рассмотренных тел намного меньше энергии связи металла, из которого эти тела состоят, a<1. Поэтому ее, естественно, не хватает на испарение метеоритов или на передачу броневой мишени вчетверо большей теплоты. Кинетическая энергия служит лишь тем "запалом", который нарушает энергетический баланс кристалла во время торможения снаряда.

Теперь можно ответить на вопрос, поставленный в самом начале.

Автор статьи "Энергия "из ниоткуда" измерил теплоту, полученную мишенью, и посчитал, что эта энергия появилась неизвестно откуда потому, что кинетическая энергия снаряда меньше, чем тепловая энергия "перегретой" мишени. Но, взвесив снаряд до и после удара, он обнаружил бы, что снаряд стал легче. Расчеты показывают, что для получения 48% избыточной тепловой энергии снаряд массой 88,5 грамма должен потерять только 4,2 грамма металла. Исчезнувшая кристаллическая масса превратилась в пар, выделив ту избыточную энергию, которая "перегрела" мишень. Таким образом, нарушения закона сохранения энергии не произошло.

Итак, если нужно, чтобы металлическая болванка взорвалась, ударив о твердую преграду, необходимо увеличить ее скорость и выбрать для нее металл с максимальной атомной массой и минимальной энергией связи. По этим признакам металлы, способные взрываться при механическом взаимодействии, образуют ряд U235, W184, Fe56. Уран отвечает этим требованиям лучше всего. Прожигающий эффект урановых снарядов выражен очень ярко, а у стальных не наблюдается вовсе.

Так происходит взрыв металлического кристалла. А. В узлах кристаллической решетки находятся положительные ионы металла. А поскольку одноименные заряды отталкиваются и стремятся разлететься, решетка должна быть неустойчивой. Несмотря на это, металлы обладают высокой прочностью: ионы "связываются" свободными электронами проводимости, которые заполняют решетку и движутся с большой скоростью случайным образом, подобно молекулам газа. B. Ионы в узлах кристаллической решетки совершают небольшие колебания вокруг точки равновесия. Как только ион отходит от узла, освободившееся место занимают отрицательно заряженные электроны, которые своим полем притягивают ион, возвращая его на место. C. Если электроны проводимости вовлечь в направленное движение (создать электрический ток), они уже не будут "успевать" воздействовать на убегающие ионы и кристалл мгновенно взорвется, выделив энергию связи.

Когда по проволоке протекает электрический ток небольшой плотности, его величина остается одинаковой по всей длине проволоки и она нагревается равномерно. Но когда плотность тока достигает очень большой величины, поток электронов за счет квантовых процессов в кристаллической решетке превращается в волновой пакет. Сила тока в разных местах проволоки становится различной, и металл сгруппировавшимися в волну электронами нагревается неравномерно. На диаграмме видно, что на проволоке соседствуют "холодные" участки с температурой 350-420¦С и раскаленные до 1050-1250¦С.

Этот уникальный кадр видеофильма демонстрирует макроскопическое проявление квантовых процессов — возникновение периодических скачков температуры металла вдоль стальной проволоки диаметром 0,3 мм во время протекания по ней электрического тока силой 48,6 А. Проволока погружена в воду, длина ее видимого участка 25 мм.

Волновая деформация поверхности лакового слоя, которая наглядно демонстрирует эффект перераспределения концентрации свободных электронов в тонких металлических пленках. Пленки алюминия (А), вольфрама (В, С) и титана (D) толщиной несколько атомных слоев (от 9 до 45 нанометров) нанесены на стеклянную пластинку и закрыты слоем прозрачного диэлектрического лака. По пленкам протекает электрический ток плотностью 6,3.109 А/м2 в алюминии, 8,1.108 А/м2 в вольфраме и 1,2.109 А/м2 в титане. Объемные заряды, возникшие в металле, вызывают волновую деформацию холодного твердого лака, вслед за которой следует взрыв пленки.

Опыт Толмена и Стюарта. Катушку с медным проводом раскручивали до высокой скорости и резко тормозили. Свободные электроны металла продолжали двигаться по инерции, образуя слабый электрический ток, регистрируемый прибором. Чтобы исключить влияние магнитного поля Земли (оно вызывает появление ЭДС во вращающейся катушке), вся установка помещалась в систему так называемых колец Гельмгольца — витков с током, своим магнитным полем компенсирующих поле земное.

Доктор технических наук М. Марахтанов, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана и А. Марахтанов, аспирант Калифорнийского университета, г. Беркли (США).

Наука и жизнь