Eksplozja kulombowska - Coulomb explosion

Animacja eksplozji kulombowskiej skupiska atomów zjonizowanych przez pole laserowe. Odcień koloru jest proporcjonalny do (większego) ładunku atomów. Elektrony (mniejsze) w tej skali czasu są widoczne tylko stroboskopowo, a poziom odcienia to ich energia kinetyczna

Eksplozje kulombowskie są mechanizmem przekształcania energii w intensywnych polach elektromagnetycznych w ruch atomów, a zatem są przydatne do kontrolowanego niszczenia stosunkowo wytrzymałych cząsteczek. Eksplozje są ważną techniką obróbki laserowej i pojawiają się naturalnie w niektórych reakcjach wysokoenergetycznych.

Mechanizm

Kulombowskiego odpychanie cząsteczek o tym samym ładunku elektrycznym rozkłada wiązania, które trzymają cząstki stałe ze sobą. Po zakończeniu wąską wiązkę laserową, małą ilość stałego wybucha w osoczu od zjonizowanych cząstek atomowych. Można wykazać, że eksplozja kulombowska zachodzi w tym samym reżimie parametrów krytycznych, co nadpromieniste przejście fazowe, czyli wtedy, gdy oddziaływania destabilizujące stają się przytłaczające i dominują nad natywnymi ruchami oscylacyjnymi wiązania skupisk stałych fononów, co jest również charakterystyczne dla syntezy diamentu .

Dzięki swojej małej masie, zewnętrzne elektrony walencyjne odpowiedzialne za wiązania chemiczne są łatwo usuwane z atomów, pozostawiając je naładowane dodatnio. Biorąc pod uwagę wzajemnie odpychający się stan między atomami, których wiązania chemiczne są zerwane, materiał eksploduje w małą chmurę plazmy jonów energetycznych z większą prędkością niż obserwowana w emisji termicznej.

Zastosowanie technologiczne

Eksplozja kulombowska jest „zimną” alternatywą dla dominującej techniki trawienia laserowego , czyli ablacji termicznej , która polega na lokalnym ogrzewaniu, topnieniu i parowaniu cząsteczek i atomów przy użyciu mniej intensywnych wiązek. Do zlokalizowania ablacji termicznej wystarcza krótkotrwałość impulsu sprowadzająca się tylko do nanosekundy – zanim ciepło zostanie odprowadzone daleko, dopływ energii (impuls) się kończy. Niemniej jednak materiały poddane ablacji termicznej mogą uszczelniać pory ważne w katalizie lub pracy akumulatora i rekrystalizować lub nawet spalić podłoże, zmieniając w ten sposób właściwości fizyczne i chemiczne w miejscu wytrawiania. W przeciwieństwie do tego, nawet lekkie piany pozostają rozszczelnione po ablacji w wyniku eksplozji kulombowskiej.

Wybuchy kulombowskie do obróbki przemysłowej wykonywane są za pomocą ultrakrótkich (pikosekundowych lub femtosekundowych) impulsów laserowych. Ogromne wymagane natężenia wiązki (progi 10–400 terawatów na centymetr kwadratowy, w zależności od materiału) są praktyczne tylko do generowania, kształtowania i dostarczania przez bardzo krótkie chwile czasu. Wytrawianie wybuchowe kulombowskie może być stosowane w dowolnym materiale do wiercenia otworów, usuwania warstw powierzchniowych oraz powierzchni tekstury i mikrostruktury; np. do kontrolowania ładowania atramentu w prasach drukarskich.

Wygląd w przyrodzie

Obrazowanie za pomocą szybkich kamer metali alkalicznych eksplodujących w wodzie sugeruje, że jest to eksplozja kulombowska.

Podczas eksplozji atomowej w oparciu o rozszczepiania uranu, 167 MeV jest emitowana w postaci siły kulombowskie wybuchu pomiędzy każdym wcześniejszym jądra uranu, odpychający energii elektrostatyczne pomiędzy dwiema rozszczepienie potomnych jąder , przekłada się na energię kinetyczną z produktów rozszczepienia , że Skutkuje to zarówno głównym motorem promieniowania ciała doskonale czarnego, które szybko generuje formację gorącej, gęstej plazmy/ ognistej kuli jądrowej, a tym samym również późniejsze efekty wybuchu i temperatury.

Co najmniej jeden artykuł naukowy sugeruje, że eksplozja kulombowa (w szczególności elektrostatyczne odpychanie zdysocjowanych grup karboksylowych kwasu poliglutaminowego) może być częścią wybuchowego działania nematocytów, żądlących komórek w organizmach wodnych gromady Cnidaria .

Obrazowanie eksplozji kulombowskiej

Cząsteczki są utrzymywane razem dzięki równowadze ładunku między ujemnymi elektronami a dodatnimi jądrami. Kiedy wiele elektronów zostaje wyrzuconych, albo przez napromieniowanie laserowe, albo bombardowanie wysoko naładowanymi jonami, pozostałe, wzajemnie odpychające się jądra rozpadają się w eksplozji kulombowskiej. Strukturę prostych cząsteczek fazy gazowej można określić śledząc trajektorie fragmentów.

Zobacz też

Bibliografia