научная статья по теме ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ (ПРОБЛЕМЫ “ХОЛОДНОГО СИНТЕЗА”) Химия

Текст научной статьи на тему «ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ (ПРОБЛЕМЫ “ХОЛОДНОГО СИНТЕЗА”)»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2014, том 88, № 11, с. 1805-1815

ТЕОРИЯ АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНЫХ ^^^^^^^^ ПРОЦЕССОВ

УДК 541.124

ЯДЕРНО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В УСЛОВИЯХ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ (ПРОБЛЕМЫ "ХОЛОДНОГО СИНТЕЗА") © 2014 г. С. Ф. Тимашев***, А. В. Симакин***, Г. А. Шафеев***

*Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва **Российская академия наук, Институт проблем лазерных и информационных технологий, Москва ***Российская академия наук, Научный центр волновых исследований Института общей физики им. А.М. Прохорова, Москва E-mail: serget@mail.ru Поступила в редакцию 01.03.2014 г.

Представлен краткий обзор результатов по инициированию ядерных превращений в условиях лазерной абляции металлов в водных средах при воздействии пикосекундных лазерных импульсов с пиковой интенсивностью JE ~ 1010—1013 Вт/см2, на порядки меньшей, нежели необходимо для прямого инициирования ядерных процессов, JE ~ 1018—1019 Вт/см2. Показано, что в таких условиях значительно (на порядки) возрастает скорость распада радиоактивных ядер (на примере распада ядер урана-238), инициируются процессы трансмутации ядер (на примере превращения ядер ртути-196 в ядра золота-197), осуществляется ядерный синтез легких элементов (на примере ядер трития). Для понимания всей совокупности имеющихся экспериментальных данных по инициированию таких процессов в условиях лазерной абляции металлов в растворах обычной и тяжелой воды развиты представления о процессах неупругого (с рождением нейтрино) взаимодействия электронов высоких (по химическим масштабам) энергий (~5—10 эВ) с ядрами (что отражено в определении этих процессов как ядерно-химических). Предположено, что в образующихся при таких взаимодействиях ядрах состояние ядерной материи оказывается в разбалансированном состоянии "внутренней встряски", его уже нельзя представлять базовым (стандартным) образом — в виде совокупности определенного числа нуклонов, и такое состояние оказывается реакционно-активным для широкого класса ядерных превращений.

Ключевые слова: лазерная абляция металлов, ядерно-химические процессы, реакционно-активные состояния, холодный синтез.

Б01: 10.7868/80044453714110211

"Холодный ядерный синтез", под которым понимаются ядерные превращения в условиях их инициирования низкоэнергетическими воздействиями (энергия которых существенно меньше реализующихся при ядерных реакциях или в высокотемпературной плазме) представляется объектом диаметрально противоположных научных оценок в течение последних 25 лет. Что это — пока непонятный феномен природы, проявляющийся, по мнению ряда исследователей, во многих экспериментальных работах [1—4], или величайшая мистификация [5], восходящая к первым сообщениям Флейшмана и Понса [6] об инициировании ядерных реакций в условиях электролиза тяжелой воды с Рё-катодом, при которых образуются нейтроны и ядра трития и выделяется избыточное тепло. При этом основанием для заключений о мистификации служили сообщения о невоспроизводимости в различных лабораториях результатов [1], тем более, что и сама возможность таких

процессов не могла быть понята на основе существующих физических представлений.

Однако воспроизводимые результаты экспериментальных исследований ядерных превращений указанного типа в условиях низкотемпературной плазмы, формирующейся в приповерхностных областях металла при лазерной абляции металлов в водных средах [7—15], дают основания для продолжения поиска адекватных механизмов холодного ядерного синтеза. Тем более, что истоки этой проблемы следует относить к пионерским исследованиям начала 50-х годов прошлого века группой Л.А. Арцимовича мощных электрических разрядов в трубках, содержащих смеси дейтерий—инертные газы [16, 17]. Было обнаружено, что при парциальных давлениях дейтерия вплоть до нескольких десятков Торр и прикладываемых напряжениях в несколько десятков кВ в средней области разрядных трубок генерировались одновременно короткие импульсы нейтро-

нов и жестких рентгеновских квантов с энергиями 300—400 кэВ. Зарегистрированная интенсивность нейтронного излучения при силе тока 200 кА составляла 108 нейтронов на импульс, причем в тот момент, когда возникали кванты с такой большой энергией, напряжение, приложенное к разрядной трубке, составляло всего лишь ~10 кэВ. Индикатором нейтронов в этих экспериментах служила наведенная радиоактивность серебряной мишени, помещавшейся в парафиновом блоке вблизи разрядной трубки, и поток нейтронов рассчитывался на основе данных об образовании радиоактивных изотопов 108Ag и 110Ag в мишени.

В работах [16, 17] вопрос о механизме образования нейтронов и квантов указанных энергий в условиях рассматриваемого эксперимента остался открытым. При этом возможность реализации в условиях низкотемпературной плазмы термоядерного процесса d + d ^ 3He + n авторы [16, 17] исключали. Следует заметить, что последующие теоретические оценки [18—20] показывали принципиальную возможность ускорения дейтронов до энергий (~1 МэВ), достаточных для осуществления такого процесса в условиях [16, 17], за счет ускоряющего дейтроны индукционного электрического поля, природа которого связывалась с развитием на пинче неустойчивостей или с вариацией режимов разряда. Тем не менее, сомнения в том, что источником наблюдающихся потоков нейтронов и жестких рентгеновских квантов с энергиями 300—400 кэВ служит термоядерная реакция d + d ^ 3 He + n остаются: в экспериментах [16, 17], а также в последующих исследованиях [19, 20] не фиксировались изотопы гелия-3, потоки которых в случае такой реакции равны фиксируемым потокам нейтронов.

В данной работе показано, что вся совокупность экспериментальных результатов работ [7—15] по инициированию разнообразных ядерных превращений в условиях лазерной абляции металлов в водных средах, равно как и результаты [16, 17], могут быть поняты на основе представлений о взаимодействии высокоэнергетических (по химическим масштабам) электронов с ядрами, вследствие которого становится возможным изменение состояния ядерной материи — с переходом от стандартного, описываемого как совокупность взаимодействующих нуклонов, к разбалансированному нестационарному состоянию "внутренней встряски" (состояние "inner shake-up" или "in-shake-up") ядерной материи [21], когда представление об ядре как совокупности нуклонов теряет смысл.

ИНИЦИИРОВАНИЕ ЯДЕРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ МЕТАЛЛОВ В ВОДНЫХ СРЕДАХ

В работах [7—15] впервые было показано, что конкретные ядерные превращения целенаправленно могут быть инициированы в условиях лазерной абляции металлов в водных средах при воздействии пикосекундных лазерных импульсов с пиковой интенсивностью JE ~ 1010—1013 Вт/см2, на порядки меньшей, нежели это необходимо для прямого инициирования ядерных процессов, JE ~ ~ 1018—1019 Вт/см2 [22, 23]. В частности, скорость спонтанных распадов нуклидов может быть увеличена на порядки. Рассмотрим такие эффекты на примере лазерной абляции мишеней в водных растворах уранил-хлорида.

Лазерная абляция металлических мишеней (алюминий, титан, бериллий, золото) осуществлялась в водных растворах уранил-хлорида UO2Cl2 с концентрацией от 20 до 5 мг/мл при типичном объеме раствора 2 мл. В процессе абляции кювета с раствором охлаждалась проточной водой. Излучение лазера фокусировалось линзой с фокусным расстоянием 3 см на мишень сквозь прозрачное для излучения окно на металлическую мишень, погруженную в водный раствор уранил-хлорида. Типичное время лазерного облучения мишени составляло 1 ч. Использовались два типа лазерных источников: неодимовый лазер с длительностью импульсов 6 нс и частотой повторения импульсов 10 кГц (энергия в импульсе 2 мДж) и неодимовый лазер с длительностью 10 пс и частотой повторения импульсов 50 кГц (энергия в импульсе 0.2 мДж). Как правило, в присутствии распадающихся нуклидов образующиеся в процессе абляции наночастицы оказываются неустойчивы к седиментации и выпадают на дно кюветы. Как было показано ранее, только частицы бериллия и золота после лазерной абляции в воде являются металлическими, тогда как наночастицы, образующиеся в результате лазерной абляции титана и алюминия, состоят из оксидов и гидроксидов соответствующих металлов.

Гамма-активность образцов до и после лазерного облучения измерялась полупроводниковым гамма-спектрометром Ortec-65195-P с погрешностью ±5%. Образцы растворов вместе с наноча-стицами помещались в полимерную чашку Петри и герметизировались. Как правило, после завершения процесса лазерной абляции мишеней в водных растворах уранил-хлорида образец содержит несколько миллиграммов наночастиц. Толщина слоя раствора составляла ~1 мм. Активность радионуклидов определялась как площадь под пиками гамма-спектров нуклидов. Основной изотоп 238U распадается с испусканием альфа-частиц с полупериодом более 109 лет. Изотоп 235U распадается по такому же механизму до 231Th с по-

N х 10

-3

234-

ть

170%

126%

(а)

235

и

200%

5%|

_ 1

3

4

80 100 120^180 200

Е, кэВ (б)

234

ть

235и -□

10

15 20 [И02С12], г/л

238тт 234 И —Тс

т^ к 234т ^ к 234 т т

ТЬ —91 Ра — 92 И...,

234

ТЬ

235

и

100

200

300

т, сут

Рис. 1. Изменение активности тория-234 и урана-235 (N, счет за 104 с) после лазерного облучения берилли-евой мишени в водном растворе уранил-хлорида (а) и изменение активности тория-234 и урана-235 в зависимости от концентрации уранил-хлорида, нормированное на активности соответствующих нуклидов в исходном растворе (б). Измерения активности сделаны спустя 10 суток после лазерного облучения, 1 — активность нуклидов в водном растворе уранил-хлорида до облучения; 2, 3 и 4 — [ИО2СУ = 20, 10 и 5мг/мл соответственно, Е — энергия у-квантов.

лупериодом более 108 лет. Эффект от лазерного облучения с хорошей точностью можно характеризовать путем измерения активностей наиболее интенсивных пиков для нуклидов, присутствующих в растворе. К ним относятся 234ТЬ, 234тРа и 235И. Мерой активности служит число распадов данного радионуклида в единицу времени. Поскольку спектр гамма-квантов, испускаемых при распаде нуклида, является характерным именно для этого нуклида, то его сод

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком