Кулоновский взрыв

Анимация кулоновского взрыва скопления атомов. Большие круги — это атомы; их оттенок указывает на заряд (красный — нейтральный, зеленый — положительный). Маленькие кружки — это электроны; их оттенок указывает на кинетическую энергию . Поскольку электроны движутся очень быстро, в этом временном масштабе их можно увидеть только стробоскопически .

Кулоновский взрыв — это физический процесс конденсированного состояния , при котором молекула или кристаллическая решетка разрушаются в результате кулоновского отталкивания между составляющими ее атомами. Кулоновские взрывы являются популярным методом лазерной обработки и естественным образом возникают в некоторых высокоэнергетических реакциях.

Механизм

Кулоновский взрыв начинается, когда интенсивное электрическое поле (часто создаваемое лазером ) возбуждает валентные электроны в твердом теле, выбрасывая их из системы и оставляя после себя положительно заряженные ионы . Химические связи, удерживающие твердое тело вместе, ослабляются из-за потери электронов, что позволяет кулоновскому отталкиванию между ионами преодолеть их. В результате происходит взрыв ионов и электронов – плазма .

Лазер должен быть очень мощным, чтобы произвести кулоновский взрыв. Если он слишком слаб, энергия, отданная электронам, будет передаваться ионам посредством электрон- фононного взаимодействия. Это приведет к тому, что весь материал нагреется, расплавится и подвергнется термической абляции в виде плазмы. Конечный результат аналогичен кулоновскому взрыву, за исключением того, что любая тонкая структура материала будет повреждена в результате термического плавления. ^[1]

Можно показать, что кулоновский взрыв происходит в том же режиме параметров, что и сверхизлучательный фазовый переход , т.е. когда дестабилизирующие взаимодействия становятся подавляющими и доминируют над колебательными движениями связи фонон-твердое тело. ^{[ нужна ссылка ]}

Технологическое использование

Кулоновский взрыв — это «холодная» альтернатива доминирующему методу лазерного травления — термической абляции , который зависит от локального нагрева, плавления и испарения молекул и атомов с использованием менее интенсивных лучей. Кратковременности импульса вплоть до наносекундного режима достаточно для локализации термоабляции – прежде чем тепло будет передано далеко, подвод энергии (импульс) закончится. Тем не менее, термически подвергнутые абляции материалы могут закрывать поры, важные для катализа или работы батарей, а также перекристаллизовать или даже сжигать подложку, изменяя тем самым физические и химические свойства в месте травления. Напротив, даже легкие пены остаются незапечатанными 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 для генерации, формирования и доставки только в течение очень коротких мгновений времени. ^{[ нужна ссылка ]} Кулоновское взрывное травление можно использовать в любом материале для просверливания отверстий, удаления поверхностных слоев, текстуры и микроструктуры поверхностей; например, для контроля загрузки чернил в печатные машины. ^[2]

Внешний вид в природе

Получение высокоскоростной камерой изображений взрыва щелочных металлов в воде позволило предположить, что это был кулоновский взрыв. ^[3]^[4]

Во время ядерного взрыва , основанного на делении урана, 167 МэВ излучается в виде кулоновского взрыва между каждым предшествующим ядром урана, электростатическая энергия отталкивания между двумя дочерними ядрами деления преобразуется в кинетическую энергию продуктов деления , которые приводит как к основной движущей силе излучения черного тела , которое быстро генерирует горячую плотную плазму / образование ядерного огненного шара , так и к последующим взрывным и тепловым эффектам. ^[5]^[6]

Ученые из Зоологического института Кёльнского университета предположили, что кулоновский взрыв (в частности, электростатическое отталкивание диссоциированных карбоксильных групп полиглутаминовой кислоты) может быть частью взрывного действия нематоцитов — стрекательных клеток водных организмов типа Cnidaria . ^[7]

Визуализация кулоновского взрыва

Молекулы удерживаются вместе за счет баланса заряда между отрицательными электронами и положительными ядрами. Когда несколько электронов выбрасываются либо в результате лазерного облучения, либо в результате бомбардировки высокозаряженными ионами, оставшиеся взаимно отталкивающиеся ядра разлетаются на части в результате кулоновского взрыва. Структуру простых молекул газовой фазы можно определить с помощью изображений, отслеживающих траектории фрагментов. ^[8]^[9] По состоянию на 2022 год метод может работать с молекулами, состоящими до 11 атомов. ^[10]^[11]

См. также

Ссылки

^ Хашида, М.; Мисима, Х.; Токита, С.; Сакабе, С. (2009). «Нетермическая абляция расширенного политетрафторэтилена интенсивным лазером фемтосекундного импульса» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (15): 13116–13121. Бибкод : 2009OExpr..1713116H . дои : 10.1364/OE.17.013116 . hdl : 2433/145970 . ПМИД 19654716 .
^ Мюллер, Д. (ноябрь 2009 г.). «Пикосекундные лазеры для высококачественной промышленной микрообработки» . Фотонные спектры : 46–47.
^ Мейсон, Филип Э.; Улиг, Фрэнк; Ванек, Вацлав; Баттерсак, Тиллманн; Бауэрекер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (26 января 2015 г.). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Природная химия . 7 (3): 250–254. Бибкод : 2015НатЧ...7..250М . дои : 10.1038/nchem.2161 . ПМИД 25698335 .
^ «Раскрыты взрывоопасные секреты натрия» . Научный американец . 27 января 2015 г.
^ Альт, Леонард А.; Форчино, Дуглас; Уокер, Ричард И. (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 крупных осколков деления. Эти фрагменты, будучи массивными и сильно заряженными частицами, легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим материалам оружия, которые быстро нагреваются.
^ « Обзор ядерной техники » (PDF) . Технический университет Вены. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2018 года. Различные энергии, излучаемые при каждом акте деления, стр. 4. «167 МэВ» излучается посредством электростатической энергии отталкивания между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму «кинетической энергии». энергии» продуктов деления, эта кинетическая энергия приводит как к последующим взрывам, так и к тепловым эффектам. «5 МэВ» выделяется при мгновенном или начальном гамма-излучении, «5 МэВ» при излучении мгновенных нейтронов (99,36% от общего количества), «7 МэВ» при энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и «13 МэВ» при бета-распаде и гамма-излучении. распад (остаточное излучение)
^ Беркинг, Стефан; Херрманн, Клаус (2006). «Образование и выделение нематоцист контролируется градиентом протонов через мембрану кисты» . Гельголандские морские исследования . 60 (3): 180–188. Бибкод : 2006HMR....60..180B . дои : 10.1007/s10152-005-0019-y .
^ Легаре, Ф.; и др. (2005). «Лазерная визуализация малых молекул с помощью кулоновского взрыва» . Физический обзор А. 71 (1): 013415. Бибкод : 2005PhRvA..71a3415L . дои : 10.1103/PhysRevA.71.013415 . S2CID 39373145 .
^ Б. Зигманн; У. Вернер; Х.О. Лутц; Р. Манн (2002). «Полная кулоновская фрагментация CO ₂ при столкновениях с энергией 5,9 МэВ у ⁻¹ Машина ¹⁸⁺ и Ксе ⁴³⁺". J Phys B Atom Mol Opt Phys . 35 (17): 3755. Bibcode : 2002JPhB...35.3755S . doi : 10.1088/0953-4075/35/17/311 . S2CID 250782825 .
^ Болл, Ребекка; Шефер, Юлия М.; Ришар, Бенуа; Фере, Килиан; Кастирке, Грегор; Юрек, Золтан; Шеффлер, Маркус С.; Абдулла, Малик М.; Андерс, Нильс; Бауманн, Томас М.; Эккарт, Себастьян (21 февраля 2022 г.). «Рентгеновский многофотонный кулоновский взрыв отображает сложные одиночные молекулы» . Физика природы . 18 (4): 423–428. дои : 10.1038/s41567-022-01507-0 . ISSN 1745-2473 . S2CID 247047286 .
^ «Визуализация кулоновского взрыва позволяет исследовать молекулу из 11 атомов» . Физика сегодня . 2022 (1): 0325а. 25 марта 2022 г. Бибкод : 2022ФТ..2022а.325. . дои : 10.1063/pt.6.1.20220325a . ISSN 1945-0699 . S2CID 247826394 .

[1] Хашида, М.; Мисима, Х.; Токита, С.; Сакабе, С. (2009). «Нетермическая абляция расширенного политетрафторэтилена интенсивным лазером фемтосекундного импульса» (PDF) . Оптика Экспресс . 17 (15): 13116–13121. Бибкод : 2009OExpr..1713116H . дои : 10.1364/OE.17.013116 . hdl : 2433/145970 . ПМИД 19654716 .

[2] Мюллер, Д. (ноябрь 2009 г.). «Пикосекундные лазеры для высококачественной промышленной микрообработки» . Фотонные спектры : 46–47.

[3] Мейсон, Филип Э.; Улиг, Фрэнк; Ванек, Вацлав; Баттерсак, Тиллманн; Бауэрекер, Сигурд; Юнгвирт, Павел (26 января 2015 г.). «Кулоновский взрыв на ранних стадиях реакции щелочных металлов с водой». Природная химия . 7 (3): 250–254. Бибкод : 2015НатЧ...7..250М . дои : 10.1038/nchem.2161 . ПМИД 25698335 .

[4] «Раскрыты взрывоопасные секреты натрия» . Научный американец . 27 января 2015 г.

[5] Альт, Леонард А.; Форчино, Дуглас; Уокер, Ричард И. (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 крупных осколков деления. Эти фрагменты, будучи массивными и сильно заряженными частицами, легко взаимодействуют с веществом. Они быстро передают свою энергию окружающим материалам оружия, которые быстро нагреваются.

[6] « Обзор ядерной техники » (PDF) . Технический университет Вены. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2018 года. Различные энергии, излучаемые при каждом акте деления, стр. 4. «167 МэВ» излучается посредством электростатической энергии отталкивания между двумя дочерними ядрами, которая принимает форму «кинетической энергии». энергии» продуктов деления, эта кинетическая энергия приводит как к последующим взрывам, так и к тепловым эффектам. «5 МэВ» выделяется при мгновенном или начальном гамма-излучении, «5 МэВ» при излучении мгновенных нейтронов (99,36% от общего количества), «7 МэВ» при энергии запаздывающих нейтронов (0,64%) и «13 МэВ» при бета-распаде и гамма-излучении. распад (остаточное излучение)

[7] Беркинг, Стефан; Херрманн, Клаус (2006). «Образование и выделение нематоцист контролируется градиентом протонов через мембрану кисты» . Гельголандские морские исследования . 60 (3): 180–188. Бибкод : 2006HMR....60..180B . дои : 10.1007/s10152-005-0019-y .

[8] Легаре, Ф.; и др. (2005). «Лазерная визуализация малых молекул с помощью кулоновского взрыва» . Физический обзор А. 71 (1): 013415. Бибкод : 2005PhRvA..71a3415L . дои : 10.1103/PhysRevA.71.013415 . S2CID 39373145 .

[9] Б. Зигманн; У. Вернер; Х.О. Лутц; Р. Манн (2002). «Полная кулоновская фрагментация CO ₂ при столкновениях с энергией 5,9 МэВ у ⁻¹ Машина ¹⁸⁺ и Ксе ⁴³⁺". J Phys B Atom Mol Opt Phys . 35 (17): 3755. Bibcode : 2002JPhB...35.3755S . doi : 10.1088/0953-4075/35/17/311 . S2CID 250782825 .

[10] Болл, Ребекка; Шефер, Юлия М.; Ришар, Бенуа; Фере, Килиан; Кастирке, Грегор; Юрек, Золтан; Шеффлер, Маркус С.; Абдулла, Малик М.; Андерс, Нильс; Бауманн, Томас М.; Эккарт, Себастьян (21 февраля 2022 г.). «Рентгеновский многофотонный кулоновский взрыв отображает сложные одиночные молекулы» . Физика природы . 18 (4): 423–428. дои : 10.1038/s41567-022-01507-0 . ISSN 1745-2473 . S2CID 247047286 .

[11] «Визуализация кулоновского взрыва позволяет исследовать молекулу из 11 атомов» . Физика сегодня . 2022 (1): 0325а. 25 марта 2022 г. Бибкод : 2022ФТ..2022а.325. . дои : 10.1063/pt.6.1.20220325a . ISSN 1945-0699 . S2CID 247826394 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]