Холодный взрыв. Кожушнер М. А., доктор физико-математических наук

«В 1980 году исследователи из Института химической физики АН СССР открыли новое интересное явление: способная к химической реакции смесь взрывалась не при нагревании, а при охлаждении. Взрыв смеси метилциклогексана и хлора происходил при температурах около 10 К.
Всем известно, что холод замедляет химические процессы, а интенсивные реакции — взрывы — происходят при нагревании. Химическая реакция, приводящая к обычномутепловому взрыву, как правило, протекает по цепному механизму: смесь подогревается и при определенной температуре в результате взаимодействия молекул число реагирующих частиц (радикалов) в смеси лавинообразно возрастает. При этом столь же стремительно усиливается выделение тепла. Если выделяемое при реакции тепло не успевает отводиться, то температура смеси будет так быстро возрастать, что реакция приобретет характер взрыва.


Холодный взрыв происходил по такому же цепному механизму. Начальные радикалы — химически активные атомы хлора создавались с помощью лазера: квант света разбивал молекулу хлора на два атома. Далее смесь быстро охлаждалась, образуя аморфное стекло. В интервале температур от 60 К до 10 К начинался взрыв. Чем ниже была исходная концентрация радикалов, тем при более низкой температуре смесь взрывалась. Более того, нагревание тормозило реакцию.

В чем же причина столь парадоксального явления? Авторы эксперимента объясняют его наличием в образце деформаций сжатия, которые возникают как при быстром замораживании смеси, так и в процессе самой реакции.
Известно, что при высоких температурах энергия химически активных частиц велика и они могут сближаться настолько, что становится возможным химическое взаимодействие между ними. В твердых телах можно добиться сближения между химически активными частицами за счет деформаций. При этом чем выше температура, тем быстрее рассасываются (релаксируют) деформации. Их энергия переходит в тепловую. При пониженной температуре деформации, напротив, не успевают релаксировать, а накапливаются лавинообразно, и реакция начинает идти свозрастающей скоростью. Возникает холодный взрыв (его можно было бы назвать деформационным).

Но каким же образом при низких температурах (всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля!) реагирующие молекулы смогут вступить в реакцию? Ведь при столь тесном сближении они начинают отталкиваться, а вблизи абсолютного нуля движение молекул замедляется и их энергии недостаточно для преодоления сил отталкивания. Существует, как говорят, энергетический барьер, для преодоления которого требуется достаточная кинетическая энергия. Однако при низких температурах в поведении частиц все явственнее начинают проявляться квантовые закономерности, в частности, так называемый туннельный эффект. Он заключается в том, что частицы могут преодолевать энергетические барьеры, не обладая превышающей такие барьеры энергией, — образно говоря, проходят не поверх барьера, а сквозь него, как бы по туннелю, сближаясь до расстояний, при которых начинается реакция. Этот эффект, видимо, и делает возможным холодный взрыв».

Архив: «Холодный взрыв». «Квант». №2. 1983. с 20, М. А. Кожушнер


Справка: Мортко Аврумович Кожушнер, физик-теоретик. Родился 22 января 1937 в городе Новоград-Волынском Житомирской области. В 1956 году поступил в МИФИ и окончил институт в 1961 году. После окончания института был зачислен младшим научным сотрудником в теоретический отдел Института химической физики Российской академии наук под руководством профессора А.С. Компанейца, который читал лекции в МИФИ. В 1964 году М.А. Кожушнер защитил кандидатскую, а в 1973 году и докторскую диссертации. С момента поступления и до последнего дня он проработал в ФИЦ ХФ им. Н.Н. Семёнова РАН. За это время он написал большое число научных работ и монографий, подготовил целый ряд квалифицированных специалистов, работающих у нас в стране и за рубежом.

30 сентября 2020 года на 83 году жизни после продолжительной болезни ушёл из жизни


Больше на Granite of science

Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.

Добавить комментарий

Больше на Granite of science

Оформите подписку, чтобы продолжить чтение и получить доступ к полному архиву.

Читать дальше