Лазер на основе кристалла взрывчатого вещества

Краткое сообщение ____________________________________________________________________________ Данилов В.М.

Размещено на http://www.allbest.ru//

74 __________________ http://butlerov.com ________________________________________ ©-- Butlerov Communications. 2005. Vol.6. No.1. 73.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лазер на основе кристалла взрывчатого вещества

Данилов Валерий Михайлович

Резюме

Рассмотрена возможность резонансного инициирования лазерного луча с длиной волны 5.9 мкм в течении ограниченного времени до теплового взрыва кристалла взрывчатого вещества при температурах выше критической температуры.

Введение

Энергия молекул обычных взрывчатых веществ выделяется при окислении атомов углерода и водорода атомами кислорода, которые заимствуются из состава соседних молекул. Молекулы взрывчатого вещества (ВВ) устойчивы благодаря тому, что кислород в группе -NO2 отделен атомом азота от атомов групп типа -CH. Энергия связи группы -NO2 с молекулой ВВ минимальна и первоначальный импульс разрывает эту связь. Кислород группы -NO2 взаимодействует с атомами групп типа -CH- из соседней молекулы ВВ. При окислении выделяется энергия, которая используется для продолжения процесса передачи импульса движения имеющейся в молекуле группе -NO2. При температурах свыше критической кристаллы ВВ существуют ограниченное время. Кристалл ВВ достаточно крупного размера взрывается даже при 100о С.

Результаты и дискуссия

В соответствии с представлениями квантовой механики время до взрыва затрачивается на переход молекул ВВ и соответственно колебаний атомов в возбужденное состояние [1, 2]. При этом предположении время перехода молекул кристалла ВВ в возбужденное состояние при постоянной температуре вычисляется по формуле:

(1)

где фз - время задержки теплового взрыва ВВ, с;

Т - постоянная температура окружающей среды, К;

Ткр - критическая температура теплового взрыва ВВ, К;

Lkp = W/S = m/с/S - характеристический размер кристалла, м;

Vр = лa·нкр = 0.5·10-5м/сек - скорость накопления энергии кристаллом;

нкр - частота колебаний молекул элементарной ячейки кристалла, нкр = 300-6000 Гц;

лреш - расстояние между молекулами в элементарной ячейке кристалла ВВ [3, 4];

лреш = 12Е = 1.2·10-3 мкм = 1.2·10-9 м;

лкр - длина волны, соответствующая энергии разрыва связи [3]:

лкр = лNN = (Nа·c·h/Ea) = 6.7·10-5м = 67 мкм;

Еа = 42.5 ккал/моль = 42.5·4.19 кДж/моль; с = 3·1010 м/сек; Nа = 6·1023; h = 6.62·10-34 Дж·сек.

Критическая температура теплового взрыва кристалла ВВ с известными размерами вычисляется по формуле:

 (2)

где б - коэффициент теплообмена на поверхности тела, Вт/(м2·К);

R - универсальная газовая постоянная, R = 8.314 Дж/(моль·К)

Для исследованного образца получено:

Lкр - радиус шара (характеристический размер), Lкр = 0.4·10-3 м;

Еа - энергия активации взрыва, Еа = 30160 кал/моль = 126370 Дж/моль;

А - предэкспонента, А = 0.5·10-20 м/(К);

Ткр - критическая температура, Ткр = 443К;

kо - предэкспонента, Вт/м3.

Представленная формула (1) отличается от ранее полученных отсутствием таких макро характеристик вещества как теплопроводность, тепловыделение и теплоемкость [2]. Причина в том, что указанные характеристики описывают процессы в смеси реагирующих веществ, а в кристалле ВВ преодоление потенциального барьера распада молекул (взрыв) имеет квантовый характер. Энергия молекул на поверхности кристалла больше, чем у молекул внутри кристаллической решетки. По этому распад молекулы на поверхности ВВ передает энергию для цепной реакции от поверхности кристалла, а не из его центра, как это наблюдается при взрыве смеси водорода и кислорода в замкнутом объеме при температурах свыше критической.

Известно, что в сильных магнитных полях сложные молекулы распадаются, наблюдается расщепление линий поглощения электромагнитного излучения и смещение линий в спектрах поглощения кристаллов. Самыми наглядными эффектами является снижение минимальной энергии воспламенения ВВ лазерным лучом при внешнем давлении [5] и снижение энергии активации теплового взрыва кристаллов в сильном магнитном поле. Представленные зависимости (1, 2) позволяют экспериментально определить величину изменения энергии активации теплового взрыва при воздействии на кристалл ВВ электромагнитных полей или внешнего давления по выделенному направлению.

При постоянном во времени внешнем воздействии давления или электромагнитных полей на кристалл его температура и размер изменяются весьма не значительно. Отметим что, явление магнитострикции хорошо известно и изучено для ряда соединений. В нашем случае положение молекул в узлах решетки также почти не меняется, но внутренняя энергия кристалла ВВ увеличивается. Это возможно при изменениях межа-томных расстояний у неполярных молекул ВВ без изменения их собственного объема. Например, при изменении угла между направлениями на центр атомов в молекуле (рисунок). Процедура расчета молекулы тринитротриазациклогексана в магнитном поле будет представлена в последующей публикации в данном журнале.

В постоянном магнитном поле напряжением не более 2400 эрстед (3000 ампервитков/см) и давление параллельном оси симметрии молекулы ВВ до 10 МПа (100 атм) энергия активации теплового взрыва кристалла становиться функцией напряженности магнитного поля. Кроме этого экспериментально установлено, что электромагнитная волна с напряжением электрического поля перпендикулярным направлению магнитного поля взаимодействует с молекулами кристалла. Указанное взаимодействие имеет резонансный характер [6].

Эффект усиления электромагнитной волны в кристалле рубина, неодимовом стекле или газах возникает по причине существования спонтанных переходов оболочек атомов с инверсного рабочего уровня в невозбужденное состояние [7]. У молекул ВВ в кристалле явления флюоресценции не наблюдается. Причина в том, что молекулы ВВ находятся в потенциальной яме образованной структурой кристаллической решетки. При попадании кристалла ВВ в область температур больше критической температуры теплового взрыва именно наличие потенциального барьера обеспечивает передачу тепловой энергии с поверхности кристалла колебательным степеням свободы атомов молекул ВВ в узлах кристаллической решетки. Если переместить кристалл из области с температурой выше критической температуры теплового взрыва в область с температурой ниже критической, то возбужденные колебательные уровни в молекулах возвращают энергию через поверхность во внешнюю среду. Таким образом, именно наличие потенциальной ямы кристалла позволяет реализовать реакцию между атомами кислорода и углерода внутри молекулы ВВ. При наличии магнитного поля и параллельно направленного давления в молекулах появляются преимущественные (допустимые) направления колебаний атомов. А именно, указанное воздействие на кристалл ограничивает допустимую величину амплитуды колебаний вдоль направленного давления в кристалле, а магнитное поле повышает энергию и амплитуду колебаний атомов молекулах ВВ в разрешенных направлениях. Энергия активации теплового взрыва кристалла при этом снижается и соответствует потенциальному барьеру реакции взаимодействия кислорода и углерода. Если процесс активизировать внешней электромагнитной волной с частотой пропорциональной энергии этого барьера (лизл = 5.9·10-6 м), то в узлах кристаллической решетки (лреш = 1.2·10-9 м) происходит распад молекул внутри кристалла с постоянным во времени и пространстве сдвигом по фазе.

Переход энергии взаимодействия электронной оболочки молекулы ВВ с ядром в сумму энергий стоячей электромагнитной волны резонатора и энергии молекул 3(СО+Н2О+N2) происходит в состояниях, при которых вид распределения электромагнитной энергии суммы электронных оболочек в узлах кристалла близок к виду распределения энергии в стоячей электромагнитной волне. При этом, естественно, колебательные степени свободы атомов в молекулах ВВ находятся в возбужденном состоянии за счет повышенной температуры и не допускают перехода в основное состояние, так не куда передать избыток энергии. Если в этом состоянии облучать кристалл в течение времени, которое достаточно для формирования когерентных колебаний электронных оболочек молекул в узлах решетки кристалла, то имеет место повышение амплитуды синхронных колебаний молекул. Синхронные колебания усиливаются зеркалами лазера до энергии большей энергии активации взрыва в данных условиях. Естественно, что время до излучения синхронного электромагнитного импульса распада молекул в объеме должно быть меньше, чем время до образования простой детонационной волны с поверхности кристалла ВВ. Такое напряженно-деформированное состояние кристалла ВВ является активной средой для отраженного луча света весьма ограниченное время в критическом, изотермическом режиме теплового взрыва.

В течение 1/3 времени от времени задержки до теплового взрыва в кристалле имеется достаточная концентрация возбужденных молекул, в которых существует инверсная заселенность электронных оболочек молекул на верхнем рабочем уровне. Наличие инверсной заселенности в кристалле является необходимым условием усиления электромагнитной волны, так как при воздействии на поверхность кристалла лазерным лучом с любой длинной волны возникнет очаг горения, но не электромагнитный импульс [5, 7, 8]. Генерация лазерного луча реализуется в напряженно деформированном состояние крупных кристаллов ВВ, которых до настоящего времени не получено.

Исследования процесса взрыва ВВ в напряженно деформированных состояниях необходимо продолжить.

Выводы

Рассмотрен механизм когерентного взаимодействия атомов в сложных молекулах кристаллов взрывчатых веществ при напряженно деформированных состояниях.

Предложена модель для получения лазерного луча за счет использования запаса химической энергии кристаллов взрывчатых веществ.

кристалл взрыв лазер

Литература

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Наука. 1963.

Асовский И.Г., Лейпунский О.И. «К теории зажигания топлива световым импульсом». Физика горения и взрыва. 1980. T.16. №1. C.3-10.

Гордон А. Справочник химика. М.: Мир. 1976.

Орлова. Е.Ю. Химия бризантных ВВ. Л.: Химия. 1986. C.312.

Harkoma M. Лазерное воспламенение некоторых композиций гексогена. Материалы 34-ой международной конференции ICT по высокомолекулярным материалам (институт Фраунгофера). FRG. Karlsruhe. 2003.

Теплов М.А., Салихов И.Х., Абдулсабиров Р.Ю., Герасимов В.А. Материалы 9-ой Всесоюзной конференции по рентгенографии. КГУ: г. Казань. 1983.

Кочмарек Ф.М. Введение в физику лазеров. М.: Мир. 1984.

Демина А. Лазер на полпути к «Звездным войнам». Техника и Вооружение. 2003. №9-12; 2004. №1-5.

Размещено на Allbest.ru