Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
ЭМ сәулесін қатты денеге бағыттап, байланыстардың үзілуіне қол жеткізіледі.
Injection of EM radiation into a solid, resulting in bond breakage
Куломб жарылысы – молекуланың немесе кристалл торының құрамындағы атомдар арасындағы Куломб итергіш күші салдарынан қирауымен жүзеге асатын қысықталған материя физикасының процесі. Куломб жарылысы лазерлік өңдеуде кеңінен қолданылатын техника болып табылады және кейбір жоғары энергиялы реакцияларда табиғи түрде пайда болады.
A Coulombic explosion is a condensed matter physics process in which a molecule or crystal lattice is destroyed by the Coulombic repulsion between its constituent atoms. Coulombic explosions are a prominent technique in laser based machining, and appear naturally in certain high energy reactions.
Механизм
Куломб жарылысы қатты денедегі валентті электрондарды күшті электр өрісі (көбінесе лазерден) қоздырып, оларды жүйеден шығарып, оң зарядты иондарды қалдырған кезде басталады. Электрондардың жоғалуы қатты денени ұстап тұратын химиялық байланыстарды әлсіретеді, бұл иондар арасындағы Куломбтік итергіш күштің оларды жеңуіне мүмкіндік береді. Нәтижесінде иондар мен электрондардың жарылысы – плазма пайда болады. Куломб жарылысын тудыру үшін лазер өте күшті болуы керек. Егер ол тым әлсіз болса, электрондарға берілген энергия электрон-фонон байланысы арқылы иондарға беріледі. Бұл бүкіл материалды қыздырып, ерітіп, термиялық абляция арқылы плазмаға айналдырады. Соңғы нәтиже Куломб жарылысына ұқсас, бірақ материалдағы кез келген ұсақ құрылым термиялық балқудан зақымданады. Куломб жарылысы суперрадиациялық фазалық өтумен бірдей параметрлік режимде жүзеге асады, яғни тұрақсыздандыратын өзара әрекеттесулер басым болып, осцилляциялық фонондық байланыстыру қозғалыстарына басымдылық етеді.
A Coulombic explosion begins when an intense electric field (often from a laser) excites the valence electrons in a solid, ejecting them from the system and leaving behind positively charged ions. The chemical bonds holding the solid together are weakened by the loss of the electrons, enabling the Coulombic repulsion between the ions to overcome them. The result is an explosion of ions and electrons – a plasma. The laser must be very intense to produce a Coulomb explosion. If it is too weak, the energy given to the electrons will be transferred to the ions via electron phonon coupling. This will cause the entire material to heat up, melt, and thermally ablate away as a plasma. The end result is similar to Coulomb explosion, except that any fine structure in the material will be damaged by thermal melting. It may be shown that the Coulomb explosion occurs in the same parameter regime as the superradiant phase transition i. e. when the destabilizing interactions become overwhelming and dominate over the oscillatory phonon solid binding motions.
Технологиялық қолдану
Кулон жарылысы – лазерлік термиялық абляцияның басым лазерлік кесу техникасына "салқын" балама, ол молекулалар мен атомдарды жергілікті қыздыру, балқыту және буландыру арқылы жүзеге асырылады, бұл үшін аз қарқынды сәулелер қолданылады. Импульстің ұзақтығы наносекундтық деңгейге дейін төмендесе, жылулық абляцияны жылу алысқа тарар алдында локализациялау жеткілікті – энергия енгізу (импульс) аяқталады. Дегенмен, термиялық абляцияға ұшыраған материалдар катализ немесе аккумулятор жұмысында маңызды болатын тесіктерді бітеп тастауы, немесе субстратты қайта кристалдауы, тіпті күйдіруі мүмкін, соның салдарынан кесу орнындағы физикалық және химиялық қасиеттер өзгереді. Керісінше, тіпті жеңіл көбіктер де Кулон жарылысы арқылы абляцияланғаннан кейін жабық қалмайды. Өнеркәсіптік өңдеуде қолданылатын Кулон жарылыстары өте қысқа (пикосекундтық немесе фемтосекундтық) лазерлік импульстермен жасалады. Қажетті зор сәуле қарқындылығы (материалға байланысты 10–400 тераваттқа дейін шаршы сантиметрге шаққандағы шегі) тек өте қысқа уақыт аралығында жасалып, қалыптастырылып, жеткізілуі мүмкін. Кулон жарылысымен кесуді кез келген материалда тесіктер бұрғылау, беткі қабаттарды жою, беттердің текстурасын және микроқұрылымын өзгерту үшін қолдануға болады; мысалы, баспа машиналарынде сияның мөлшерін реттеу үшін.
A Coulomb explosion is a "cold" alternative to the dominant laser etching technique of thermal ablation, which depends on local heating, melting, and vaporization of molecules and atoms using less intense beams. Pulse brevity down only to the nanosecond regime is sufficient to localize thermal ablation – before the heat is conducted far, the energy input (pulse) has ended. Nevertheless, thermally ablated materials may seal pores important in catalysis or battery operation, and recrystallize or even burn the substrate, thus changing the physical and chemical properties at the etch site. In contrast, even light foams remain unsealed after ablation by Coulomb explosion. Coulomb explosions for industrial machining are made with ultra short (picosecond or femtoseconds) laser pulses. The enormous beam intensities required (10–400 terawatt per square centimeter thresholds, depending on material) are only practical to generate, shape, and deliver for very brief instants of time. Coulomb explosion etching can be used in any material to bore holes, remove surface layers, and texture and microstructure surfaces; e. g., to control ink loading in printing presses.
Табиғаттағы көрінісі
Судағы сілтілі металдардың жоғары жылдамдықты камерамен түсірілуі жарылыстың Кулон жарылысы екенін көрсетті. Уранның бөлінуіне негізделген ядролық жарылыс кезінде, уранның әрбір бастапқы ядросы арасында 167 МеВ Кулон жарылысы түрінде шығарылады, екі бөлінген ядро арасындағы итергіш электростатикалық энергия бөліну өнімдерінің кинетикалық энергиясына айналады, бұл қыздырылған тығыз плазма/ядролық шардың пайда болуын қамтамасыз ететін қара дене сәулеленуінің негізгі күші болып табылады, сонымен қатар кейінгі жарылыс және жылу әсерлеріне де себеп болады. Кёльн университетінің зоология институты ғалымдары Кулон жарылысы (әсіресе полиглутамин қышқылының диссоциацияланған карбоксил тобының электростатикалық итергіш күші) нематоциттердің – су ортасында тіршілік ететін қымызбалылар (Cnidaria) типіне жататын организмдердің уақтау жасушаларының жарылыс механизміне қатысуы мүмкін деген болжам жасады.
High speed camera imaging of alkali metals exploding in water has suggested the explosion is a coulomb explosion. During a nuclear explosion based on the fission of uranium, 167 MeV is emitted in the form of a coulombic explosion between each prior nucleus of uranium, the repulsive electrostatic energy between the two fission daughter nuclei, translates into the kinetic energy of the fission products that results in both the primary driver of the blackbody radiation that rapidly generates the hot dense plasma/nuclear fireball formation and thus also both later blast and thermal effects. Scientists at the University of Cologne Zoological Institute have suggested that coulomb explosion (specifically, the electrostatic repulsion of dissociated carboxyl groups of polyglutamic acid) may be part of the explosive action of nematocytes, the stinging cells in aquatic organisms of the phylum Cnidaria.
Кулон жарылысының суреттеуі
Молекулалар теріс электрон мен оң ядролар арасындағы зарядтардың тепе-теңдігімен байланысты болады. Егер бірнеше электрон лазерлік сәулелену немесе жоғары зарядталған иондармен бомбалау арқылы шығарылса, қалған, бір-бірін итермелейтін ядролар Кулон жарылысынан шашырайды. Газ фазасындағы қарапайым молекулалардың құрылымын фрагменттердің траекториясын бақылап бейнелеу арқылы анықтауға болады. 2022 жылғы мәліметтер бойынша, бұл әдіс 11 атомнан тұратын молекулалармен де жұмыс істей алады.
Molecules are held together by a balance of charge between negative electrons and positive nuclei. When multiple electrons are expelled, either by laser irradiation or bombardment using highly charged ions, the remaining, mutually repulsive, nuclei fly apart in a Coulomb explosion. The structure of simple gas phase molecules can be determined by imaging which tracks the fragment trajectories. As of 2022 the method can work with up to 11 atom molecules.