看到超音速-一种看待爆炸物的新方法

同样在这周，在剑桥大学发生了一场独特而爆炸性的示威。炸药在我们的生活中扮演着重要的角色，从开采制造电脑和汽车的材料，到挖掘隧道，甚至控制雪崩，当然，还可以照亮天空，进行精彩的烟花表演。克里斯·毕晓普教授是剑桥微软研究院的首席研究科学家，他想突出炸药中的科学和技术，而不仅仅是无端地炸毁东西!这既包括普通的火药，也包括现代的烈性炸药，他在本周早些时候的一次演讲中找到了一种聪明的新方法来展示它们……

黑火药实际上只是一种混合物。它是木炭，硫磺和硝石或硝酸钾的混合物，它起作用是因为硝石，硝酸钾在高浓度的氧气源下起作用。所以木炭和硫磺中的碳，不是在空气中的氧气中燃烧，而是在硝酸钾中燃烧，它们在硝酸钾中吸收氧气，所以，这是一种更浓缩的氧气形式，因此，燃烧更集中，更强烈。

克里斯-如果我点燃它，会发生什么?它会立即爆炸吗?

克里斯·b -不完全是。首先，这些成分必须融化，这样分子才能相互接触。硝酸钾必须开始分解。它需要一定的热量来进行，然后化学反应才能发生。它们本质上是燃烧的反应所以木炭中的碳会和硝酸钾中的氧一起燃烧产生二氧化碳并释放能量。如果你愿意，我们可以在这里试试。我准备了1.5克高质量的商用火药，当我在露天点燃一堆这种火药时，我们会看到会发生什么。

-Pffffft !-

克里斯-有很多烟，但不是爆炸。

克里斯·b -没有爆炸。所以我们看到的是非常非常迅速的燃烧。我们给出的专业术语是爆燃，但它的意思就是燃烧。现在的情况是，想象一下火药的痕迹，一端着火。当一端的火药燃烧时，它会产生热量，而热量会提高轨迹中旁边的火药的温度。当它变得足够热时，它就会燃烧。所以，这是一个包含热量传递的传播过程。这是一个相对缓慢的过程。在这种情况下，根本就没有爆炸。如果我们真的想要爆炸，如果我们想要真正的爆炸，我们需要加快速度。

克里斯-所以当盖伊·福克斯把成吨的火药塞到国会大厦下面，希望能把它炸飞的时候，那不会起作用吗?因为那只是一堆火药，就像你刚才看到的那样。

克里斯·b -当然是在地窖里，四周都是厚厚的石墙。所以它会被很好地限制住。所以我认为毫无疑问它会导致一场巨大的爆炸并彻底摧毁上议院，是的。

克里斯-所以这就是含有火药的炸药的工作原理，你限制了爆炸?

克里斯·b -没错。所以如果你在听烟花表演，你听到所有的爆炸声，那将是火药或其他类型的低爆炸声，它们被限制在产生爆炸声的范围内。我们可以在这里说明，因为我有另一个样本。还是1.5克火药。它和以前的一模一样，但这次，我把它放进一个纸板管里，用胶带把它绑得很紧。所以它是被严格限制的我们要做的是用一个小的电点火器把它点燃它埋在火药里。

克里斯-我应该戴上护耳器。

克里斯·b -准备好了吗?开始吧。

-砰!-

克里斯-好吧，尽管我戴了耳罩，我的耳朵还是在响。这和我们之前点燃的火药数量完全一样，但这就是限制的力量。你会听到巨大的爆炸声。

克里斯·b -没错。这是非常不同的，但它仍然是一个非常迅速的燃烧。所以当火药开始燃烧时，它会以热的形式释放能量，但这些热量现在被困住了。它无法逃脱。因此，温度升高，化学反应在更高的温度下进行得更快。所以，随着温度的升高，反应速率增加，因此，产热速率增加，这反过来又提高了温度。我们有一个正反馈循环导致失控反应导致了这次爆炸。多年来，也许一千年来，这是人们唯一拥有的炸药。然后大约在19世纪中期，人们开始发现新型炸药，即所谓的烈性炸药。

从根本上说，为什么它们和火药不同?

Chris B. -关键的区别在于他们被启蒙的方式。所以枪火药会经历这种非常迅速的燃烧。烈性炸药——比如硝化甘油或TNT——通过一种叫做爆轰这是一个非常不同的物理过程，它更快，更强大，因为氧是“内置”在同一个分子中。比方说，在一个硝酸甘油分子中，有一个碳和一个氢。我们还有氧和氮。这是燃料和氧气最完美的混合。碳很容易与氧结合生成二氧化碳。氢能与氧化合生成水。剩下的是氮。氮气在炸药中大量出现。这很重要，因为空气中的氮气，是由两个原子组成的分子通过化学中最强的键之一连接在一起。所以如果两个氮原子结合成一个分子，它们会释放出大量的能量。 That's one of the reasons why high explosives release so much energy.

克里斯-但是当我们想让它爆炸时，你需要做些什么呢?

克里斯·b -那么我们要做的就是发射一个非常快的冲击波来引爆炸药。爆炸就是冲击波在炸药中传播，速度比音速快得多。所以这种现代烈性炸药将以每秒8000米的速度引爆。

克里斯-天哪!冲击波将能量注入到混合物中的化学键中，破坏其中一些化学键，使其他化学键重新组合，然后产生更大的冲击波，然后到达分子的下一个部分，你就会得到一种爆炸性的多米诺骨牌效应，因为没有更好的表达方式。

克里斯·b -是的，完全正确。是高能炸药释放的能量维持了冲击波。如果你向一块材料发射一个超音速冲击波，它会迅速减速到声速。但如果材料是烈性炸药，因为它在引爆或释放能量，激波前缘后面的能量维持了激波前缘并使其保持超音速。所以，我在这节课中真正想做的一件事就是试着让人们对爆炸发生的速度有一种本能的感觉。所以我想到了用一种叫减震管的东西。我这里有一些减震管，它看起来就像一根黄色的塑料管，直径3毫米。它的中间有一个直径1毫米的洞，里面有一种非常轻的高炸药，叫做HMX。这是已知最强大的炸药之一我现在能做的就是演示冲击波在管道中传播。

克里斯-这一小段塑料管大约20厘米长。你要用什么来引爆它?

克里斯·b -我要做的是把它插进一个启动器本质上是一个电子设备。它有几个按钮。我按下第一个按钮，它将给电容器充电。当我按下第二个按钮时，就会产生火花这足以引发冲击波。

-爆炸! !-

克里斯-我当然没有错过。你可以看到闪光灯从管子里射出。

克里斯·b -没错。当然，在如此高的速度下，它看起来基本上是瞬间发生的。所以，我们在讲座中要做的是使用半公里长的激波管这是绕在演讲厅的墙壁上的，所以我们要绕着观众转4到5圈然后我们要做的是启动激波管的一端大约四分之一秒后，冲击波会到达另一端。我希望观众能够感知到冲击波开始和结束之间的延迟，甚至可以看到这个光脉冲在他们的头上跑了好几次。

克里斯:以前有人用这种方法炸毁过演讲厅吗?

克里斯·b -我当然希望不要把演讲厅炸了!但据我所知，这是第一次有人尝试用这种方法在演讲厅现场演示爆炸的速度。

克里斯-我很高兴地说，这确实有效。人们报告说看到爆炸在他们的头上旋转。克里斯·毕晓普教授做得很好他的首次演示，用烈性炸药包围了观众。