Исследование распределения электропроводности в пересжатых детонационных волнах в конденсированных взрывчатых веществах (стр. 6 из 10)

Вторая гипотеза, гипотеза ионной проводимости продуктов детонации, предложена авторами [5], и далее развита в [25,26]. Гипотеза возникла в результате того, что авторы [5] не обнаружили в своих экспериментах зону высокой электропроводности в детонационном фронте. Поэтому электропроводность связывалась не с химической реакцией, а с областью высоких давлений.

В основу гипотезы ионной проводимости положены: возникновение электрических сигналов на разнородных металлических электродах, погруженных в продукты детонации, высокая ( порядка 10 Ом^-1см^-1 при давлении порядка 200 кбар) электропроводность ударно сжатой воды и прозрачность для видимого света продуктов детонации смеси нитрометана с тетранитрометаном в определённой пропорции [27].

Что касается прозрачности для видимого света продуктов детонации, то надо заметить сразу, авторы ионной гипотезы или не знакомы с работой [27], на которую они ссылаются, или лукавят. В работе [27] приведены результаты исследований заряда толщиной 3,2 мм. На приведённых в этой работе снимках хорошо видно, что на расстоянии 4-5 толщин заряда за фронтом детонации продукты детонации непрозрачны для видимого света. Продукты детонации других исследованных взрывчатых веществ непрозрачны. Непрозрачность продуктов детонации может свидетельствовать о значительной концентрации свободных электронов.

Сигналы порядка 1 В, возникающие на разнородных металлах, погруженных в продукты детонации, не могут свидетельствовать в пользу ионной гипотезы, поскольку являются проявлением поверхностного эффекта, в противоположность электропроводности, связанной с объёмными свойствами вещества. Электрические сигналы на разнородных металлических электродах 1-3 В возникают при погружении их в ударносжатые газы [28], в которых механизм проводимости заведомо электронный. Таким образом, и этот аргумент не имеет отношения к гипотезе ионного механизма проводимости.

Ударно сжатая вода [29] до давлений в 200 кбар имеет электропроводность равную по величине 10 Ом^-1см^-1. Вода присутствует во всех продуктах детонации взрывчатых веществ состава CNHO, её доля составляет 10-40%. Диссоциация воды при высоких давлениях на ионы H₃O⁺ и OH^– по мнению авторов [25] может объяснить электропроводность в 1-4 Ом^-1см^-1, если считать её ионной. При этом авторы [25] полагают подвижность ионов в ударно сжатой воде и в ПД одинаковой.

Сравнение электропроводности ударно сжатой воды с электропроводностью продуктов детонации не правомерно. Во-первых, механизм проводимости ударно сжатой воды дискуссионный. В частности он может быть перескоковым из-за близости ионов друг к другу, а значит электронным. В продуктах детонации ионы разрознены и такой механизм маловероятен. Во-вторых, ионы в ударно сжатой воде окружены ионами, в отличие от продуктов детонации, где они окружены в основном нейтральными молекулами. В результате подвижности ионов должны резко отличаться.

Гипотеза ионной проводимости испытывает трудности при объяснении устойчивости отрицательных ионов в детонационных условиях, не объясняет возникновения проводимости при детонации взрывчатых веществ, не содержащих водорода, противоречит уменьшению электропроводности с ростом воды при детонации смесей тротила с гексогеном [30], не может объяснить даже качественно увеличение электропроводности в равновесных продуктах детонации при добавлении малых долей легко ионизуемых инертных добавок. Ионная проводимость продуктов детонации неприемлема для объяснения явления, при этом гипотеза электронной проводимости может иметь место при объяснении электропроводности продуктов детонации.

Наиболее детально электронный механизм проводимости равновесных продуктов детонации рассмотрен в [31]. Считалось, что электроны проводимости возникают в результате термической ионизации, поддержанной высокими плотностями при детонационных давлениях (металлизация). Рассеяние электронов в основном происходит на нейтральных молекулах с сечением рассеяния, равном газокинетическому (10^-15 см²). Такое рассмотрение рассеяния неправомерно, оно приводит к длине свободного пробега порядка 3·10^{-8 см, равной размеру молекулы или межмолекулярному расстоянию. В таких условиях теряет смысл длина свободного пробега. Кроме того, необходимые для обеспечения наблюдаемой в продуктах детонации электропроводности концентрации электронов не могут быть обеспечены термической ионизацией. И только в продуктах детонации тротила, в предположении о термоэмиссии электронов с графитовых частиц конденсированного углерода обеспечивалась необходимая концентрация электронов. Электрон в продуктах детонации – существенно квантовый объект, его взаимодействие с молекулами, а, следовательно, и рассеяние необходимо рассматривать с квантово-механических позиций.}

В пользу электронного механизма проводимости говорят следующие факты: отражение электромагнитных волн от фронта детонации [32], непрозрачность для видимого света продуктов детонации исследованных взрывчатых веществ, практически независимость электропроводности от величины напряженности электрического поля [33], сравнительно низкая (10⁵-10⁶ В/см) электрическая прочность продуктов детонации [34,35], эмиссия электронов из фронта детонации [36]. Кроме того, гипотеза электронного механизма проводимости позволяет непротиворечиво объяснить поведение электропроводности и её величину в равновесных продуктах детонации.

3.2 Электропроводность в равновесных продуктах детонации

Будем считать твёрдо установленным фактом существование в нормальных детонационных волнах двух зон электропроводности [9,10]: зоны высокой электропроводности, связанной с химической реакцией, и низкой - в равновесных продуктах детонации. Поскольку зона высокой электропроводности связана с существенно неравновесной областью в детонационной волне, мы остановимся на электропроводности в равновесных продуктах детонации.

Предполагая электронный механизм проводимости для объяснения экспериментальных результатов необходимо рассмотреть природу возникновения электронов, их концентрацию и длину свободного пробега. Иными словами необходимо объяснить величину s в равновесных продуктах детонации порядка 0,1-1 Ом^-1см^-1 и её экспоненциальный спад в продуктах детонации тротила.

Продукты детонации являются сложным объектом для исследования, поэтому автор отдает себе отчёт, что приводимое ниже рассмотрение носит оценочный характер.

Концентрация электронов в плотных газах обычно находят с помощью изменённой формулы Саха [19,31,37]. Изменение заключается во введении эффективного потенциала ионизации I_eff. Значительное взаимодействие молекул продуктов детонации облегчает ионизацию, иными словами уменьшает потенциал ионизации.

Оценим концентрацию атомов и молекул в продуктах детонации и характерные размеры. Для оценок будем считать плотность равновесных продуктов детонации в плоскости Чепмена-Жуге равной ρ₀= 2 г/см³. Число атомов в единице объёма будет равно

, (5)

где μ – молекулярный вес молекул исходного взрывчатого вещества, N₀– число Авогадро, ν – число атомов в исходной молекуле. Для всех рассмотренных взрывчатых веществ: тротила, октогена, гексогена, тэна - получаем n_a = 1,1·10²³ см^-3. Среднее расстояние между атомами a = (n_a)^-1/3 ≈ 2·10^{-8 см. Размеры атомов, входящих в молекулы взрывчатых веществ (}C, O, N, H) лежат в пределах (1-1,6)·10^{-8 см. Совпадение межатомных расстояний с характерными размерами атомов свидетельствуют о том, что энергия взаимодействия атома с атомами в молекуле имеет близкую величину, что и энергия взаимодействия атома с атомами соседних молекул. Именно это взаимодействие и облегчает ионизацию.}

Если считать молекулы равновесных продуктов детонации 3х атомными, тогда их число в единице объёма будет n_m = n_a/3 = 3,4 ·10²² см^-3. Среднее межмолекулярное расстояние a_m= (n_m)^-1/3 ≈ 3·10^{-8 см, совпадает с характерными размерами самих молекул.}

Уравнение состояния продуктов детонации для оценок возьмём в виде

[38], (6)

где Е – внутренняя энергия единицы объёма продуктов детонации, P – давление, γ – показатель изоэнтропы. По данным [3] при ρ₀= 2 г/см³ давление в плоскости Чепмена-Жуге составляет примерно 300 кбар. Энергия W, приходящаяся на одну молекулу, будет

, (7)

и при γ = 3 получим W ≈ 5 эВ. Поскольку тепловая энергия порядка kT = 0,3 эВ ( Т = 3,5 ·10⁵ К ) и кинетическая энергия как целого ρ₀u²/2n_m ≈ 0,5 эВ значительно меньше полной энергии молекулы W следует ожидать, что на близкую величину изменится энергия или потенциал ионизации.

Другая оценка снижения потенциала ионизации [31,37] может быть получена следующим образом. Молекула в условиях плотноупакованных продуктов детонации может считаться ионизованной, если электрон удалился от неё на a_m. Тогда снижение потенциала ионизации по абсолютной величине будет равно работе сил электрического поля при переносе электрона от a_m на бесконечность. Эта работа будет ΔI = e²/a_m = 5 эВ. По крайней мере, полученная величина снижения потенциала ионизации свидетельствует о решающей роли плотности продуктов детонации во влиянии на ионизацию, а, следовательно, и на концентрацию электронов (металлизация). Учёт диэлектрической постоянной ε порядка двойки уменьшает ΔI. Для оценок концентрации электронов будем считать ΔI = 5 эВ.