Немного науки. Гипотеза инерциального взрыва металлов

Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с инерцией электронов. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежат русским физикам Л. И. Мандельштаму и Н. Д. Папалекси. В 1916 году американский физик Р. Толмен и шотландский физик Б. Стюарт усовершенствовали методику этих опытов и выполнили количественные измерения, неопровержимо доказавшие, что ток в металлических проводниках обусловлен движением электронов.
Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси. Концы катушки с помощью гибких проводов были присоединены к чувствительному баллистическому гальванометру Г. Раскрученная катушка резко тормозилась, и в цепи возникал кратковременных ток, обусловленный инерцией носителей заряда.
«Современные теории электричества, — писали Р. Толмен и Т. Стюарт, первыми измерившие массу электрона, укрепляют уверенность в том, что протекание электрического тока через металл состоит в поступательном движении «свободных» электронов, содержащихся в самом металле. Если это так, то должен существовать ряд эффектов, связанных с массой данных электронов.»
В классической электронной теории металлов предполагается, что движение электронов подчиняется законам механики Ньютона. В этой теории пренебрегают взаимодействием электронов между собой, а их взаимодействие с положительными ионами сводят только к соударениям. Предполагается также, что при каждом соударении электрон передает решетке всю накопленную в энергию.

Работая в Научно-исследовательском машиностроительном институте (НИМИ) над средствами поражения брони, академик Российской академии ракетно-артиллерийских наук Виктор Валерианович Яворский обратил внимание на чрезвычайно большое выделение энергии, главным образом в виде теплоты, происходящее при внедрении длинного металлического, не снаряженного взрывчаткой стержня - бронебойного снаряда - в стальную бронеплиту большой толщины.
В институте сохранился фрагмент бронеплиты толщиной 400 мм со сквозной пробоиной, вырезанный после испытаний, проведенных еще в 1972 году. И на лицевой, и на тыльной стороне плиты отчетливо зафиксировались следы разогрева металла, цвета побежалости. На их границе, по оценке металловедов, температура была около 350 С, а вблизи пробоины она приближалась к 1000 С.
Поскольку известны были размеры зоны разогрева брони, легко вычислить и массу разогретого металла, и количество выделяемого тепла. Зная же массу снаряда (4,05 кг), его скорость (1390 м/с) и подсчитав кинетическую энергию, можно было убедиться в том, что одна только выделившаяся тепловая энергия, рассчитанная по минимуму, в данном случае превышает кинетическую энергию снаряда более чем в 4 раза.
Эти и другие аналогичные материалы послужили основанием для обсуждения обнаруженного энергетического явления на научно-техническом совете НИМИ в июне 1993 года. В решении совета указывалось, что для получения достоверных данных необходимо провести специальные экспериментальные работы.

Цвета побежалости на металле.

Дальнейшим изучением явления занялся Марахтанов Михаил Константинович.
Подобный эффект выделения энергии из метеоритов явления (назовем его инерциальным взрывом), 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 газ.
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.
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 газ. Но равновесное состояние кристаллов исключает их взрыв.

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.

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.