Кулоновский взрыв - Coulomb explosion

Анимация кулоновского взрыва кластера атомов, ионизированного лазерным полем. Оттенок уровень цвета пропорционален (большему) заряду атомов. Электроны (меньшего размера) на этой шкале времени видны только стробоскопически, а уровень оттенка - это их кинетическая энергия.

Кулоновские взрывы представляют собой механизм преобразования энергии интенсивных электромагнитных полей в движение атомов и, таким образом, полезны для контролируемого разрушения относительно устойчивых молекул. Взрывы - распространенный метод лазерной обработки и естественным образом возникают при определенных реакциях с высокой энергией.

Механизм

В Кулоновское отталкивание частиц, имеющих одинаковые электрический заряд может разорвать связи, скрепляющие твердые тела. Когда это делается с помощью узкого лазерного луча, небольшое количество твердого вещества взрывается в плазма из ионизированный атомные частицы. Можно показать, что кулоновский взрыв происходит в том же режиме критических параметров, что и сверхизлучательный фазовый переход т.е. когда дестабилизирующие взаимодействия становятся подавляющими и преобладают над собственными колебательными фонон связывающих движений твердого кластера, что также характерно для синтез алмаза.

При их малой массе внешние валентные электроны ответственный за химическая связь легко отделяются от атомов, оставляя их положительно заряженными. Учитывая взаимно отталкивающее состояние между атомами, химические связи которых разорваны, материал взрывается в небольшое плазменное облако энергичных ионов с более высокими скоростями, чем наблюдается при тепловом излучении.[1]

Технологическое использование

Кулоновский взрыв - это «холодная» альтернатива доминирующей технике лазерного травления термического абляция, который зависит от локального нагрева, плавления и испарения молекул и атомов с использованием менее интенсивных пучков. Краткости импульса только до наносекундного режима достаточно для локализации термической абляции - до того, как тепло уйдет далеко, подвод энергии (импульс) закончился. Тем не менее, термически обработанные материалы могут закрывать поры, важные для катализа или работы батареи, и перекристаллизовывать или даже сжигать подложку, изменяя таким образом физические и химические свойства в месте травления. Напротив, даже легкие пены остаются открытыми после абляции кулоновским взрывом.

Кулоновские взрывы для промышленной обработки производятся ультракороткими (пикосекундными или фемтосекундными) лазерными импульсами. Требуемая огромная интенсивность луча (пороговые значения 10–400 тераватт на квадратный сантиметр, в зависимости от материала) практична только для генерации, формы и доставки в течение очень коротких промежутков времени.[нужна цитата ] Кулоновское травление взрывом можно использовать в любом материале для просверливания отверстий, удаления поверхностных слоев, текстуры и микроструктуры поверхностей; например, для управления загрузкой чернил в печатные машины.[2]

Внешний вид в природе

Высокоскоростное изображение камеры щелочных металлов взрыв в воде предположил, что это кулоновский взрыв.[3][4]

Во время ядерный взрыв на основе деление урана, 167 МэВ испускается в виде кулоновского взрыва между каждым предыдущим ядром урана, отталкивающая электростатическая энергия между двумя делениями дочерние ядра, переводится в кинетическая энергия из продукты деления что приводит к тому, что основной драйвер излучение черного тела который быстро генерирует горячую плотную плазму /ядерный огненный шар образование, а значит, и последующие взрывные и термические воздействия.[5][6]

По крайней мере, одна научная статья предполагает, что кулоновский взрыв (в частности, электростатическое отталкивание диссоциированных карбоксильных групп полиглутаминовой кислоты) может быть частью взрывного действия нематоцитов, жалящих клеток в водных организмах этого типа. Книдария.[7]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Hashida, M .; Mishima, H .; Tokita, S .; Сакабе, С. (2009). «Нетермическая абляция расширенного политетрафторэтилена с помощью мощного фемтосекундного импульсного лазера» (PDF). Оптика Экспресс. 17 (15): 13116–13121. Bibcode:2009OExpr..1713116H. Дои:10.1364 / OE.17.013116. HDL:2433/145970.
  2. ^ Мюллер, Д. (ноябрь 2009 г.). «Пикосекундные лазеры для высококачественной промышленной микрообработки». Фотонные спектры: 46–47.
  3. ^ Мейсон, Филип Э .; Улиг, Франк; Ванек, Вацлав; Баттерсэк, Тиллманн; Бауэркер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (26 января 2015 г.). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Химия природы. 7 (3): 250–254. Bibcode:2015НатЧ ... 7..250М. Дои:10.1038 / nchem.2161. PMID  25698335.
  4. ^ «Взрывные секреты натрия раскрыты». Scientific American. 27 янв 2015.
  5. ^ Альт, Леонард А .; Форчино, Дуглас; Уокер, Ричард I. (2000). «Ядерные события и их последствия» (PDF). В Червени, Т. Ян (ред.). Медицинские последствия ядерной войны. Типография правительства США. ISBN  9780160591341. примерно 82% энергии деления выделяется в виде кинетической энергии двух больших осколков деления. Эти фрагменты, будучи массивными и сильно заряженными частицами, легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим оружейным материалам, которые быстро нагреваются.
  6. ^ "Обзор ядерной инженерии" (PDF). Технический университет Вены. Архивировано из оригинал (PDF) 15 мая 2018 г. Различная энергия, излучаемая при делении, стр. 4. «167 МэВ» испускается посредством отталкивающей электростатической энергии между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму «кинетической энергии» продуктов деления, эта кинетическая энергия приводит как к более позднему взрыву, так и к тепловым эффектам. «5 МэВ» выделяется при мгновенном или начальном гамма-излучении, «5 МэВ» в мгновенном нейтронном излучении (99,36% от общего количества), «7 МэВ» по энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и «13 МэВ» при бета-распаде и гамма-распаде (остаточное излучение)
  7. ^ Беркинг, Стефан; Херрманн, Клаус (2006). «Формирование и выделение нематоцист контролируется градиентом протонов через мембрану кисты». Морские исследования Гельголанда. 60 (3): 180–188. Дои:10.1007 / s10152-005-0019-у.