Взрыв

Взрыв, процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объёме за короткий промежуток времени. В результате В. вещество, заполняющее объём, в котором происходит освобождение энергии, превращается в сильно нагретый газ с очень высоким давлением. Этот газ с большой силой воздействует на окружающую среду, вызывая её движение. В. в твёрдой среде сопровождается её разрушением и дроблением.

  Порожденное В. движение, при котором происходит резкое повышение давления, плотности и температуры среды, называют взрывной волной. Фронт взрывной волны распространяется по среде с большой скоростью, в результате чего область, охваченная движением, быстро расширяется. Возникновение взрывной волны является характерным следствием В. в различных средах. Если среда отсутствует, т. е. В. происходит в вакууме, энергия В. переходит в кинетическую энергию разлетающихся во все стороны с большой скоростью продуктов В. Посредством взрывной волны (или разлетающихся продуктов В. в вакууме) В. производит механическое воздействие на объекты, расположенные на различных расстояниях от места В. По мере удаления от места В. механическое воздействие взрывной волны ослабевает. Расстояния, на которых взрывные волны создают одинаковую силу воздействия при В. различной энергии, увеличиваются пропорционально кубическому корню из энергии В. Пропорционально этой же величине увеличивается интервал времени воздействия взрывной волны.

  Разнообразные виды В. различаются физической природой источника энергии и способом её освобождения. Типичными примерами В. являются взрывы химических взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества обладают способностью к быстрому химическому разложению, при котором энергия межмолекулярных связей выделяется в виде теплоты. Для взрывчатых веществ характерно увеличение скорости химического разложения при повышении температуры. При сравнительно низкой температуре химическое разложение протекает очень медленно, так что взрывчатое вещество в течение длительного времени может не претерпевать заметного изменения в своём состоянии. В этом случае между взрывчатым веществом и окружающей средой устанавливается тепловое равновесие, при котором непрерывно выделяющиеся небольшие количества теплоты отводятся за пределы вещества посредством теплопроводности. Если создаются условия, при которых выделяющаяся теплота не успевает отводиться за пределы взрывчатого вещества, то благодаря повышению температуры развивается самоускоряющийся процесс химического разложения, который называется тепловым В. В связи с тем, что теплота отводится через внешнюю поверхность взрывчатого вещества, а её выделение происходит во всём объёме вещества, тепловое равновесие может быть также нарушено при увеличении общей массы взрывчатого вещества. Это обстоятельство учитывается при хранении взрывчатых веществ.

  Возможен иной процесс осуществления В., при котором химическое превращение распространяется по взрывчатому веществу последовательно от слоя к слою в виде волны. Движущийся с большой скоростью передний фронт такой волны представляет собой ударную волну — резкий (скачкообразный) переход вещества из исходного состояния в состояние с очень высокими давлением и температурой. Взрывчатое вещество, сжатое ударной волной, оказывается в состоянии, при котором химическое разложение протекает очень быстро. В результате область, в которой освобождается энергия, оказывается сосредоточенной в тонком слое, прилегающем к поверхности ударной волны. Выделение энергии обеспечивает сохранение высокого давления в ударной волне на постоянном уровне. Процесс химического превращения взрывчатого вещества, который вводится ударной волной и сопровождается быстрым выделением энергии, называется детонацией. Детонационные волны распространяются по взрывчатому веществу с очень большой скоростью, всегда превышающей скорость звука в исходном веществе. Например, скорости волн детонации в твёрдых взрывчатых веществах составляют несколько км/сек. Тонна твёрдого взрывчатого вещества может превратиться таким способом в плотный газ с очень высоким давлением за 10^-4 сек. Давление в образующихся при этом газах достигает нескольких сотен тысяч атмосфер. Действие В. химического взрывчатого вещества может быть усилено в определённом направлении путём применения зарядов взрывчатого вещества специальной формы (см. Кумулятивный эффект).

  К В., связанным с более фундаментальными превращениями веществ, относятся ядерные взрывы. При ядерном В. происходит превращение атомных ядер исходного вещества в ядра др. элементов, которое сопровождается освобождением энергии связи элементарных частиц (протонов и нейтронов), входящих в состав атомного ядра. Ядерный В. основан на способности определённых изотопов тяжёлых элементов урана или плутония к делению, при котором ядра исходного вещества распадаются, образуя ядра более лёгких элементов. При делении всех ядер, содержащихся в 50 г  урана или плутония, освобождается такое же количество энергии, как и при детонации 1000 т тринитротолуола. Это сравнение показывает, что ядерное превращение способно произвести В. огромной силы. Деление ядра атома урана или плутония может произойти в результате захвата ядром одного нейтрона. Существенно, что в результате деления возникает несколько новых нейтронов, каждый из которых может вызвать деление др. ядер. В результате число делений будет очень быстро нарастать (по закону геометрической прогрессии). Если принять, что при каждом акте деления число нейтронов, способных вызвать деление др. ядер, удваивается, то менее чем за 90 актов деления образуется такое количество нейтронов, которого достаточно для деления ядер, содержащихся в 100 кг урана или плутония. Время, необходимое для деления этого количества вещества, составит ~10^-6 сек. Такой самоускоряющийся процесс называется цепной реакцией (см. Ядерные цепные реакции). В действительности не все нейтроны, образующиеся при делении, вызывают деление др. ядер. Если общее количество делящегося вещества мало, то большая часть нейтронов будет выходить за пределы вещества, не вызывая деления. В делящемся веществе всегда имеется небольшое количество свободных нейтронов, однако, цепная реакция развивается лишь в том случае, когда число вновь образующихся нейтронов будет превышать число нейтронов, которые не производят деления. Такие условия создаются, когда масса делящегося вещества превосходит так называемую критическую массу. В. происходит при быстром соединении отдельных частей делящегося вещества (масса каждой части меньше критической) в одно целое с общей массой, превосходящей критическую массу, или при сильном сжатии, уменьшающем площадь поверхности вещества и тем самым уменьшающем количество выходящих наружу нейтронов. Для создания таких условий обычно используют В. химического взрывчатого вещества.

  Существует др. тип ядерной реакции — реакция синтеза лёгких ядер, сопровождающаяся выделением большого количества энергии. Силы отталкивания одноимённых электрических зарядов (все ядра имеют положительный электрический заряд) препятствуют протеканию реакции синтеза, поэтому для эффективного ядерного превращения такого типа ядра должны обладать высокой энергией. Такие условия могут быть созданы нагреванием веществ до очень высокой температуры. В связи с этим процесс синтеза, протекающий при высокой температуре, называют термоядерной реакцией. При синтезе ядер дейтерия (изотопа водорода ²H) освобождается почти в 3 раза больше энергии, чем при делении такой же массы урана. Необходимая для синтеза температура достигается при ядерном В. урана или плутония. Таким образом, если поместить в одном и том же устройстве делящееся вещество и изотопы водорода, то может быть осуществлена реакция синтеза, результатом которой будет В. огромной силы. Помимо мощной взрывной волны, ядерный В. сопровождается интенсивным испусканием света и проникающей радиации (см. Поражающие факторы ядерного взрыва).

  В описанных выше типах В. освобожденная энергия содержалась первоначально в виде энергии молекулярной или ядерной связи в веществе. Существуют В., в которых выделяющаяся энергия подводится от внешнего источника. Примером такого В. может служить мощный электрический разряд в какой-либо среде. Электрическая энергия в разрядном промежутке выделяется в виде теплоты, превращая среду в ионизованный газ с высокими давлением и температурой. Аналогичное явление происходит при протекании мощного электрического тока по металлическому проводнику, если сила тока оказывается достаточной для быстрого превращения металлического проводника в пар. Явление В. возникает также при воздействии на вещество сфокусированного лазерного излучения (см. Лазер). Как один из видов В. можно рассматривать процесс быстрого освобождения энергии, происходящий в результате внезапного разрушения оболочки, удерживавшей газ с высоким давлением (например, В. баллона со сжатым газом). В. может произойти при столкновении твёрдых тел, движущихся навстречу друг другу с большой скоростью. При столкновении кинетическая энергия тел переходит в теплоту в результате распространения по веществу мощной ударной волны, возникающей в момент столкновения. Скорости относительного сближения твёрдых тел, необходимые для того, чтобы в результате столкновения вещество полностью превратилось в пар, измеряются десятками км/сек, развивающиеся при этом давления составляют миллионы атмосфер.

  В природе происходит много различных явлений, которые сопровождаются В. Мощные электрические разряды в атмосфере во время грозы (молнии), внезапное извержение вулканов, падение на поверхность Земли крупных метеоритов представляют собой примеры различных видов В. В результате падения Тунгусского метеорита (1907) произошёл В., эквивалентный по количеству выделившейся энергии В. ~10⁷ т тринитротолуола. По-видимому, ещё большее количество энергии освободилось в результате В. вулкана Кракатау (1883).

  Огромными по масштабу В. являются хромосферные вспышки на Солнце. Выделяющаяся при таких вспышках энергия достигает ~10¹⁷ дж (для сравнения укажем, что при В. 10⁶ т тринитротолуола выделилась бы энергия, равная 4,2·10¹⁵ дж).

  Характер гигантских В., происходящих в космическом пространстве, имеют вспышки новых звёзд. При вспышках, по-видимому в течение нескольких часов, выделяется энергия 10³⁸—10³⁹ дж. Такая энергия излучается Солнцем за 10—100 тыс. лет. Наконец, ещё более гигантские В., выходящие далеко за пределы человеческого воображения, представляют собой вспышки сверхновых звёзд, при которых освобождающаяся энергия достигает ~ 10⁴³ дж, и В. в ядрах ряда галактик, оценка энергии которых приводит к ~ 10⁵⁰ дж.

  В. химических взрывчатых веществ применяют как одно из основных средств разрушения. Огромной разрушающей способностью обладают ядерные взрывы. В. одной ядерной бомбы может быть эквивалентен по энергии В. десятков млн. т химического взрывчатого вещества.

  В. нашли широкое мирное применение в научных исследованиях и в промышленности. В. позволили достигнуть значительного прогресса в изучении свойств газов, жидкостей и твёрдых тел при высоких давлениях и температурах (см. Давление высокое). Исследование В. играет важную роль в развитии физики неравновесных процессов, изучающей явления переноса массы, импульса и энергии в различных средах, механизмы фазовых переходов вещества, кинетику химических реакций и т.п. Под воздействием В. могут быть достигнуты такие состояния веществ, которые оказываются недоступными при др. способах исследования. Мощное сжатие канала электрического разряда посредством В. химического взрывчатого вещества даёт возможность получать в течение короткого промежутка времени магнитные поля огромной напряжённости [до 1,1 Га/м  (до 14 млн. э), см.(смотри) Магнитное поле]. Интенсивное испускание света при В. химического взрывчатого вещества в газе может использоваться для возбуждения оптического квантового генератора (лазера). Под действием высокого давления, которое создаётся при детонации взрывчатого вещества, осуществляются взрывное штампование, взрывная сварка и взрывное упрочнение металлов.

  Экспериментальное изучение В. состоит в измерении скоростей распространения взрывных волн и скоростей перемещения вещества, измерении быстро изменяющегося давления, распределений плотности, интенсивности и спектрального состава электромагнитного и др. видов излучения, испускаемого при В. Эти данные позволяют получить сведения о скорости протекания различных процессов, сопровождающих В., и определить общее количество освобождающейся энергии. Давление и плотность вещества в ударной волне связаны определёнными соотношениями со скоростью движения ударной волны и скоростью перемещения вещества. Это обстоятельство позволяет, например, на основании измерений скоростей вычислить давления и плотности в тех случаях, когда их непосредственное измерение оказывается по какой-либо причине недоступным. Для измерений основных параметров, характеризующих состояние и скорость перемещения среды, применяются различные датчики, преобразующие определенный вид воздействия в электрический сигнал, который записывается при помощи осциллографа или др. регистрирующего прибора. Современная электронная аппаратура позволяет регистрировать явления, происходящие в течение интервалов времени ~ 10^-11 сек. Измерения интенсивности и спектрального состава светового излучения при помощи специальных фотоэлементов и спектрографов служат источником информации о температуре вещества. Широкое применение для регистрации явлений, сопровождающих В., имеет скоростная фотосъёмка, которая может производиться со скоростью, достигающей 10⁹ кадров в 1 сек.

  В лабораторных исследованиях ударных волн в газах часто используется специальное устройство — ударная труба (см. Аэродинамическая труба). Ударная волна в такой трубе создаётся в результате быстрого разрушения мембраны, разделяющей газ с высоким и низким давлением (такой процесс можно рассматривать как наиболее простой вид В.). При исследовании волн в ударных трубах эффективно применяются интерферометры и полутеневые оптические установки, действие которых основано на изменении показателя преломления газа вследствие изменения его плотности.

  Взрывные волны, распространяющиеся на большие расстояния от места их возникновения, служат источником информации о строении атмосферы и внутренних слоёв Земли. Волны на очень больших расстояниях от места В. регистрируются высокочувствительной аппаратурой, позволяющей фиксировать колебания давления в воздухе до 10^-6 атмосферы (0,1 н/м²) или перемещения почвы ~ 10^-9 м.

  В. широко применяют при разведке полезных ископаемых. Отражённые от различных слоев сейсмические волны (упругие волны в земной коре) регистрируются сейсмографами. Анализ сейсмограмм даёт возможность сделать заключение о залегании нефти, природного газа и др. полезных ископаемых. В. столь же широко используют при вскрытии и разработке месторождений полезных ископаемых. Без взрывных работ не обходится практически ни одно строительство плотин, дорог и тоннелей в горах (подробнее см.(смотри) Взрывные работы).

  Лит.: Садовский М. А., Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований, в сб.(сборник): Физика взрыва, № 1, М., 1952; Баум Ф. А., Станюкович К. П. и Шехтер Б. И., Физика взрыва, М., 1959; Андреев К. К. и Беляев А. Ф., Теория взрывчатых веществ, М., 1960: Покровский Г. И., Взрыв, М., 1964; Ляхов Г. М., Основы динамики взрыва в грунтах и жидких средах, М., 1964; Докучаев М. М., Родионов В. Н., Ромашов А. Н., Взрыв на выброс, М., 1963: Коул Р., Подводные взрывы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1962; Действие ядерного оружия, пер.(перевод) с англ.(английский), М., 1960; Горбацкий В. Г., Космические взрывы, М., 1967; Дубовик А. С., Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов, М., 1964.

  К. Е. Губкин.