Специалисты по физике взрыва различают три главных динамических явления, с которыми они имеют дело: горение, взрыв и детонацию. На сегодня достигнуто достаточно чёткое понимание природы лишь первых двух из них. Горение – это химическая реакция между горючим и окислителем, которая начинается при достижении температуры воспламенения; эта реакция является экзотермической и поэтому она обычно самоподдерживается, распространяясь преимущественно с помощью теплопроводности и диффузии. Качественное отличие взрыва от горения связано с особо благоприятными условиями для взаимодействия горючего и окислителя: при этом горение и выделение тепла происходят так быстро, что формируется ударная волна, движущаяся по объёму гремучей смеси. Детонация, как полагают, качественно не отличается от взрыва: детонационную волну рассматривают как “самораспространяющийся комплекс, состоящий из ударной волны и зоны химической реакции, тепловыделение в которой поддерживает ударный фронт” [1]. Эта официальная доктрина существует, несмотря на хорошо известный факт: скорость детонационной волны во взрывчатом веществе (ВВ), по крайней мере, в несколько раз превышает скорость ударной волны при тех же условиях. Так, в конденсированных ВВ при скорости ударного фронта примерно в 2 км/с скорость детонационного фронта может составлять 9 км/с и выше. Уже несколько десятилетий экспериментальная техника позволяет регистрировать динамику сразу обоих фронтов – и ударного, и детонационного – наглядно демонстрируя их нетождественность. Одно это наводит на мысль о том, что, по сравнению со взрывом, при детонации могут происходить качественно иные процессы структурных превращений в объёме ВВ.

Игнорируя саму возможность такого качественного различия, классические теории детонации позволяют лишь согласовать параметры детонационной волны с требованиями, вытекающими из теории ударных волн. В рамках такого подхода, детонационная волна быстрее ударной из-за соответственно повышенных температуры и давления в зоне химической реакции. Но чем обусловлено это повышение температуры и давления, т.е. почему одно и то же ВВ, с одной и той же удельной теплотой сгорания, либо взрывается, либо детонирует – ответов на эти вопросы классические теории не дают. Спекулятивный характер этих теорий проявляется даже в произвольном использовании понятия температуры, которое вообще-то определено лишь при условии теплового равновесия образца со своим окружением. Взрывные же процессы протекают настолько быстро, что о тепловом равновесии здесь не может быть и речи. На фронте ударной волны и в зоне химической реакции резко нарушается равновесное распределение энергии между поступательными, вращательными, колебательными и электронными степенями свободы, и, как справедливо отмечает Уокер [2], эти области вообще “нельзя характеризовать какой-либо определённой температурой”. Поэтому нам представляется весьма странным неплохое совпадение “измеренных” значений температуры на детонационном фронте с её “расчётными” значениями (см., например, [3]), поскольку ни те, ни другие значения, строго говоря, не имеют физического смысла.

Наконец, приведём экспериментальные факты, которые с полной очевидностью подтверждают наши подозрения. В отличие от ударной волны, которая формируется в непосредственной близости от места её инициирования, а затем распространяется, последовательно проходя по всему доступному объёму ВВ, детонационная волна ведёт себя совершенно иначе. При взрывном инициировании детонации через инертную преграду “детонация в пассивном заряде возникает на некотором расстоянии от инертной преграды… было также обнаружено явление распространения детонации в обратном направлении от места возникновения”[4]. В опытах по ударному инициированию нитрометана “детонация возникает не в слое, который первым подвергся воздействию ударной волны, как это следовало из старой теории, а инициируется на некотором расстоянии вблизи ударного фронта”[2]. И далее: “…не было видно никаких признаков развития детонации на первоначально нагруженной поверхности”. Скоростная киносъёмка показывает, что очаги детонации “появляются совершенно произвольно во времени и в пространстве”[2].

Принимая во внимание вышеназванные принципиальные различия в поведении ударных и детонационных волн, мы вынуждены сделать вывод: понимание механизма детонации в рамках классических теорий – отсутствует. Нам известно об одной серьёзной попытке альтернативного объяснения природы детонации. Уокер [2] обратил внимание, что скорость детонационной волны в конденсированных ВВ близка к средним колебательным скоростям типичных атомов в молекулах ВВ. На его взгляд, именно колебательные движения атомов переносят энергию, идущую на разрыв химических связей при детонации. Однако, эта модель работает лишь в предположении, что молекулы ВВ упакованы достаточно плотно, и, кроме того, она тоже не объясняет, каким образом очаги детонации возникают на расстоянии от области, в которой производится инициирование.

В качестве прототипа предлагаемой здесь модели детонации обычных ВВ мы используем общеизвестную модель цепной реакции при ядерном взрыве. Тяжёлое атомное ядро подходящего изотопа становится неустойчивым при попадании в него теплового нейтрона; оно распадается, выделяя энергию и испуская новые нейтроны, которые разваливают новые ядра, и т.д., так что возможно лавинообразное освобождение ядерной энергии.

Для обоснования этой модели, прежде всего зададимся вопросом: если при распаде молекул гомогенных ВВ выделяется энергия, то почему они не распадаются безо всякого инициирования, т.е. каким образом обеспечивается их устойчивость? На наш взгляд, наилучший ответ на этот вопрос дал Полинг [5]. Согласно его концепции, некоторые свойства веществ, в том числе и устойчивость молекул определённых типов, естественно объясняются при допущении постоянно происходящих циклических смен валентных конфигураций, связующих атомы в таких молекулах. Для пояснения этой идеи рассмотрим условную молекулу, в которой два однотипных атома элемента А должны быть присоединены к одному атому элемента В с помощью ковалентных связей, число которых равно трём. При стационарной валентной конфигурации в такой молекуле на один из атомов А приходится двойная связь, а другой – одинарная, причём если энергия одинарной связи недостаточна для ассоциации между атомами А и В, то молекула неустойчива. Но пусть в молекуле происходит циклическое перераспределение связей, при котором на каждый из атомов А приходится попеременно то двойная, то одинарная связь. Тогда средняя энергия связи каждого из атомов А больше, чем энергия одинарной связи, и молекула уже может быть устойчива. Описанное явление Полинг называл резонансом между валентными конфигурациями, а соответствующий прирост энергии химической связи, обеспечивающий устойчивость молекулы – энергией резонанса. (* Главная причина, по которой теория Полинга не получила широкого признания, заключается в её выходе за рамки мертвящего догмата квантовой механики: “При стационарном состоянии квантовой системы, когда её энергия постоянна, никаких изменений в системе не происходит”. Согласно этому догмату, связанный электрон обязан занимать сразу весь доступный объём, но - в соответствии с заданным распределением вероятностей его пребывания в различных точках этого объёма. На наш взгляд, подобные представления находятся за пределами той области, в которой возможна разумная аргументация.) Принудительная остановка резонанса, например, через превращение резонирующей молекулы в положительный или отрицательный молекулярный ион, приводит к распаду с соответствующим выделением энергии.

В свете теории Полинга, вероятнее всего, что именно резонанс стабилизирует молекулы гомогенных ВВ, в частности, имеющие в своём составе нитрогруппы NO₂ и NO₃. Поскольку такая молекула имеет достаточно сложное строение, то логично допустить, что она стабилизирована целым спектром резонансов. Остановка даже одного из них может привести к быстрой диссоциации молекулы на отдельные атомы. Полная диссоциация молекул на детонационном фронте подтверждается экспериментом со специально синтезированным ВВ с изотопными метками (см. [2]). Группы CO и CO₂, как некоторые из предполагаемых продуктов реакции, имелись в синтезированных молекулах в готовом виде, причём только эти группы включали углеродные и кислородные изотопные метки. Анализ продуктов реакции показал, что процентные содержания изотопных меток были одинаковы для всех продуктов, включавших углерод или кислород, и равны их процентным содержаниям в исходном ВВ. Авторы сделали вывод, что “в случае гомогенных идеальных ВВ все связи в исходной молекуле оказываются разорванными при детонации”, и, следовательно, продукты реакции должны появляться в результате произвольной рекомбинации свободных атомов, а не в результате классического “разложения молекулы ВВ на продукты полного самоокисления”.

В рамках предлагаемого подхода, вышеупомянутые парадоксальные свойства детонационных волн находят, по крайней мере, качественное объяснение. Прежде всего, становится понятно, что для инициирования детонационной волны в гомогенном ВВ требуется тем или иным способом разрушить необходимое стартовое количество его молекул. Сильные различия в чувствительности тех или иных ВВ можно объяснить различиями в том “запасе прочности”, который обеспечивается резонансами их молекул: так, нитроглицерин детонирует при сотрясении, а аммиачную селитру непросто заставить детонировать даже с помощью подрыва активного заряда. Далее, становится понятно, что очаги детонации могут возникать “на некотором расстоянии” от области инициирования благодаря пробегам электронов, испускаемых из этой области. Что же касается скорости детонационной волны, то она определяется особенностями взаимодействия молекул ВВ с резонансными электронами, причём главным фактором, ограничивающим её значение, является средняя временная задержка между попаданием резонансного электрона в молекулу и началом разрывов её связей. Эта задержка зависит лишь от периодов резонансов, стабилизирующих молекулу, и потому она является характеристической величиной для каждого типа ВВ. Отсутствие зависимости этой величины от температуры и давления приводит к аналогичному свойству, которое имеется у скорости детонационной волны.

Из нашей модели следует, что детонацию можно заблокировать с помощью электрического поля, препятствующего такому движению электронов в образце ВВ, которое необходимо для его нормальной детонации. Нам неизвестно об экспериментах подобного рода.

Специалисты по практическому применению ВВ знают, что иногда деформации и разрушения, вызванные непосредственно взрывом, неестественно велики: требуемая для таких действий работа может намного превышать теплоту сгорания применённого заряда ВВ. Обычное объяснение этого парадокса, на наш взгляд, несерьёзно: ссылаются на очень быстрое выделение энергии, запасённой в заряде ВВ – как будто работа становится больше оттого, что она совершается быстрее.

Мы предлагаем гипотезу, с помощью которой возможно разрешить названный парадокс без противоречия с законом сохранения энергии. Ранее мы изложили концепцию [6,7], согласно которой тело может приобретать ускорение без совершения работы извне: через превращение внутренней энергии тела в кинетическую из-за локальной кривизны пространства-времени, вызывающей этот процесс. Так, пространственное распределение для собственных частот квантовых осцилляторов, представляющее собой сферически-симметричный “провал”, приводит к вертикальному свободному падению пробного тела. При этом ускорение свободного падения определяется локальным градиентом собственных частот квантовых осцилляторов [8]:

где c – скорость света в вакууме. Следует обратить внимание, что физическое проявление искривления пространства-времени заключается в том, что это искривление вызывает частичное превращение собственной энергии квантовых осцилляторов (т.е., массы – см. [9]) в неквантовые формы энергии, например, в кинетическую энергию. Поскольку освобождение энергии при взрыве представляет собой превращение такого же рода, то логично допустить, что в области взрыва также имеет место искривление пространства-времени. Однако, в отличие от статического искривления пространства-времени, с помощью которого мы объясняем действие гравитации, “взрывное” искривление имеет динамический характер. Ускорение в направлении от центра взрыва, приобретаемое квантовым осциллятором динамическим способом, должно зависеть от производной его частоты не по пространству, а по времени:

. (2)

Производная df/dt, характеризующая скорость превращения собственной энергии квантового осциллятора в кинетическую, должна определяться скоростью задающего процесса превращения энергии, а именно, мощностью освобождения энергии при взрыве. Строго говоря, мгновенное индуцируемое ускорение должно быть пропорционально мгновенной мощности взрывного освобождения энергии, но для оценки можно вместо мгновенной мощности взять отношение освобождённой энергии к промежутку времени, за который оно произошло. Следует также учесть зависимость индуцируемого взрывом ускорения от расстояния r до центра взрыва: традиционно, при сферически-симметричной геометрии в изотропном пространстве, искомую зависимость следует описать множителем (r₀/r)², где r₀ – радиус, ограничивающий область детонирующего ВВ. Наконец, поскольку исходное распределение энергий, участвующих во взрывном превращении, имеет достаточно ярко выраженный дискретный спектр, то то можно ожидать, что индуцируемое взрывом искривление пространства-времени является, соответственно, селективным: оно влияет лишь на те квантовые осцилляторы, энергии которых попадают в названный спектр. Для интегральной оценки индуцируемого ускорения мы не будем учитывать эту селективность; тогда, с учётом сделанных замечаний, при детонации заряда ВВ с массой m, когда энергия D E освобождается за время t , искомое ускорение есть:

, (3)

где Q_уд – удельная теплота сгорания ВВ, и K – безразмерный фактор, учитывающий отклонение реальной геометрии процесса от сферически-симметричной.

Приведём оценку для ускорения, индуцируемого при детонации 100-граммового заряда из литого тринитротолуола. Удельная теплота сгорания этого ВВ равна 15 МДж/кг, время сферически-симметричной детонации (при r₀=2.44 см и скорости детонационной волны в 6.9 км/с) есть 3.5× 10^-6 с. Тогда фактор Q_уд/ct в формуле (3) составляет 1.43× 10⁴ м/с², т.е. примерно 1.5× 10³ g. По меркам атомных масштабов, подобные кратковременные ускорения не существенны; в частности, они не вносят заметного вклада в формирование детонационной волны. В то же время на макроуровне, где уже проявляется действие фактора (r₀/r)², эти ускорения вполне могут быть ответственны за “дополнительные” механические эффекты, которые трудно объяснить воздействием одной лишь взрывной волны. Возможно, что вблизи детонирующего заряда вещество сокрушается не только с помощью теплоты сгорания ВВ, но и с помощью внутренней энергии самого этого вещества, которая частично превращается в его кинетическую энергию благодаря динамическому искривлению пространства-времени.

На основе предложенной здесь модели детонации качественно объясняются многие феномены, которые в рамках классических теорий являются парадоксальными. Становится, наконец, понятно, почему от воздействия открытого пламени брикет тротила всего лишь горит, а от электрической искорки – детонирует. Концепция резонансных электронов, как посредников при детонационной диссоциации молекул, позволяет объяснить не только принципиальные различия в поведении ударных и детонационных волн, но и целый ряд интересных особенностей, например, явление критического радиуса детонации, а также различный порог детонации у одного и того же ВВ при его контактном инициировании различными другими ВВ. Что же касается динамического искривления пространства-времени вблизи детонирующего заряда, то оно не вытекает из нашей модели детонации; оно связано с происходящим при детонации процессом превращения собственной энергии квантовых осцилляторов в неквантовые формы энергии.

1. К. Юхансон, П. Персон. Детонация взрывчатых веществ. “Мир”, М., 1973.
2. Ф.Е. Уокер. Хим. Физика, 14, 12 (1995) 47.
3. Физика взрыва. Под ред. К.П. Станюковича. “Наука”, М., 1975.
4. А.М. Дрёмин и др. Детонационные волны в конденсированных средах. “Наука”, М., 1970.
5. Русский перевод: Л. Паулинг. Природа химической связи. “Госхимиздат”, М.-Л., 1947.
6. А.А. Гришаев. Энергетика свободного падения. – Доступна на данной веб-странице.
7. A.A. Grishaev. On the nature of gravitational shifts of frequency of quantum oscillators. Report for International Forum on Wave Electronics and its Applications. 14-18 Sep.2000, St.Petersburg – Valaam – Mandrogi – St.Petersburg. Abstracts, p.104. To be published in Proceedings.
8. А.А. Гришаев. О всемирном тяготении: всё ли вещество оказывает притягивающее действие? – Доступна на данной веб-странице.
9. А.А. Гришаев. Масса, как мера собственной энергии квантовых осцилляторов. – Доступна на данной веб-странице.