2born (2born) wrote,
2born
2born

Category:

Потери энергии быстрых молекул в веществе, кулоновский взрыв, кильватерный потенциал и все-все-все

Два года (плюс чуть-чуть) я соорудил первый в своем ЖЖ научно-популярный пост, об эффекте Чудакова. Там же я обещал дать продолжение и объяснить, каким боком я к этому причастен)) Сегодняшняя новость из френдленты заставила-таки меня сдержать давнее обещание, но об этом - в самом конце поста.

Напомню в двух словах, что такое эффект Чудакова. Если фотон дико высокой энергии (~100 ГэВ) рождает в веществе электронно-позитронную пару, то кулоновские поля электрона и позитроно взаимно ослабляют друг друга, что приводит к снижению ионизационных потерь энергии такой пары по сравнению с удвоенными потерями электрона.

Так вот, аналогичный, но обратный эффект известен в физике низких энергий. Если быстрая молекула (например, молекулярный ион водорода) влетает в вещество, то происходит вот что:

cluster

За счет многократного рассеяния валентный электрон быстро срывается и идет лесом улетает нафиг. Ничем не сдерживаемые протоны за счет кулоновского отталкивания начинают разлетаться (это называется кулоновским взрывом молекулы). Но пока они не разлетелись далеко, их кулоновские поля будут взаимно усиливать друг друга, что должно привести к превышению ионизационных потерь энергии системы по сравнению с удвоенными потерями одиночного протона (подобно тому, как в эффекте Чудакова потери были ослаблены). Вот ожидаемая картинка:
cluster2

Правда, действительность оказывается намного сложнее и интереснее! Дело в том, что теперь у нас нерелятивистская задача, и пренебрегать продольным разбеганием d нельзя! А поля, создаваемые движущимися частицами в веществе, надо сказать, весьма сложны. Помимо эранированного Кулона, за частицей будет тянуться так называемый кильватерный потенциал синусоидального вида. В зависимости от того, в какую точку попадет второй протон, суммарные потери могут оказаться как больше, так и меньше удвоенных одиночных!

Потери энергии молекул в веществе измеряются, в принципе, просто: молекула с известной энергией запускается в тонкую пленку вещества, и меряется энергия всех обломков молекулы на выходе. Это проделывается для наборе пленок разной толщины, и вот вам зависимость потерь от пробега в веществе!

Надо сказать, что особо крутые умельцы научились по вот этим измерениям потерь энергии молекул в тонких пленках даже определять структуру исходной влетевшей молекулы, видеть бензольные кольца и т.п. детальки! Одним из таких умельцев был проф. Зигмунт из университета Оденсе в Дании. Но он уже давно ушел на покой, а тем временем физиков там слили с химиками (а то-де слишком много народу!) после слияния опять получилось много, еще раз сократили, а теперь и универа этого как независимого нет, слили вместе несколько разных контор в "южно-датский университет".

Так вот, никто из космиков, занимавшихся эффектом Чудакова, и слыхом не слыхивал о потерях молекул в веществе, а кто занимался молекулами, тот и понятия не имел об эффекте Чудакова. Это заметил мой любимый шеф, и на анализе сходства и ризличий двух явлений мы сделали несколько симпатичных статеек:

1. Shul'ga N.F., Syshchenko V.V. Ionization losses of energy of fast clusters being produced during a Coulomb explosion of a molecule and electron-positron pair production in matter // Phys. Lett. A, 1992, v. 165, p. 175 - 178.

2. Сыщенко В.В., Шульга Н.Ф. Об ионизационных потерях энергии быстрых кластеров в веществе //УФЖ, т. 38, 1993, № 3, с. 349 - 354.

3. Shul’ga N.F., Syshchenko V.V., Truten' V.I. Ionization Energy Losses of Clusters Formed by Coulomb Explosion of Fast Molecules and Generation of High-Energy Electron-Positron Pairs in Matter // Nucl. Instr. 1994, v. 90 B, p. 76 - 79.

А теперь к дню сегодняшнему. Все (увы, как недавно выяснилось в обсуждении, не все) видели в школе на уроке химии, как бегает по поверхности воды кусочек металлического натрия. Все думали, что это бурно выделяющийся и сгорающий водород поддерживает этот кусочек. И вот, оказывается, все (возможно) совсем не так! Из-зи бурной химической реакции кусочек натрия покидают сразу столь много электронов, что происходит кулоновский взрыв! В макромасштабе, офигеть!

Вот источник моего сегодняшнего возбуждения:


Оригинал взят у feanoturi в Новый взгляд на старую химическую реакцию
Исследователи из Республики Чехия заявляют, что следует пересмотреть механизм, лежащий в основе бурного взаимодействия натрия с водой, зачастую протекающего со взрывом. Они предполагают, что активное протекание реакции и «прыжки» щелочного металла могут объясняться не воспламенением выделяющегося водорода, как предполагалось ранее, а значительной неустойчивостью заряда в структуре металла.

Взаимодействие щелочных металлов с водой является излюбленным демонстрационным экспериментом многих преподавателей, демонстрирующих волшебную силу химии школьникам или студентам. Чаще всего результат такого опыта объясняется горением выделяющегося в процессе реакции водорода, однако Павел Юнгвирт (Pavel Jungwirth) с коллегами считает такое объяснение неудовлетворительным.



Чешский ученый говорит, что, конечно же, учителя и преподаватели говорят своим слушателям о том, что в ходе реакции натрия с водой электроны покидают металл и переходят в воду. Тем не менее, из слов Юнгвирта становится ясно: вряд ли в учебной аудитории можно услышать о том, что после потери металлом электронов кристалл металла приобретает существенный положительный заряд.

С помощью методов молекулярной динамики исследователи продемонстрировали, что в результате накопления существенного положительного заряда металлическая кристаллическая решетка сплава в значительной степени теряет устойчивость. В результате такой дестабилизации происходит «кулоновский взрыв» (coulomb explosion), ответственный за увеличение площади поверхности образца металла, взаимодействующего с водой. Исследователи из Чехии заявляют, что именно это расширение и приводит к бурной реакции металла с водой.

Больше деталей на русском здесь

Оригинальная исследовательская статья здесь
Tags: Мегаучебник или Что я читал и похвалил, графотворчество невидимого профессора, наука, популяризация, текущее
Subscribe

  • Канюк

    DSC_6074_канюк_корр7obr.jpg © qedqed.iMGSRC.RU

  • Сорокопут-жулан с какой-то добычей

    Снято 21 июля. Жаль, не видно, что именно за добыча, да и сфокусировалось не на него (точнее, неё), а на подсолнухи, но уж больно фон хорош!…

  • Разновозрастные синички

    Тоже от 21 июля. Такое впечатление, что взрослые еще присматривают за малышней. DSC_2127_юная_син_с_сем_корр2.jp © qedqed.iMGSRC.RU…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 21 comments

  • Канюк

    DSC_6074_канюк_корр7obr.jpg © qedqed.iMGSRC.RU

  • Сорокопут-жулан с какой-то добычей

    Снято 21 июля. Жаль, не видно, что именно за добыча, да и сфокусировалось не на него (точнее, неё), а на подсолнухи, но уж больно фон хорош!…

  • Разновозрастные синички

    Тоже от 21 июля. Такое впечатление, что взрослые еще присматривают за малышней. DSC_2127_юная_син_с_сем_корр2.jp © qedqed.iMGSRC.RU…