CC BY
69ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Памяти Александра Дидыка
МНОГОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В КОНДЕНСИРОВАННОМ ГЕЛИИ
Мышинский Г.В.
Объединенный институт ядерных исследований, http://www.jinr.ru/ Дубна, Московская область 141980, Российская Федерация Поступила 25.04.2017
Представлена действительным членом РАЕН А.А. Рухадзе
После многочасовых облучений конденсированного гелия при давлениях 1.1 и 3 кбар тормозными гамма квантами с максимальной энергией 10 МэВ в объеме реакционной камеры обнаружены "посторонние" химические элементы, отсутствующие в ней до начала облучений. Для объяснения появления синтезированных элементов предложен новый механизм: многоядерные реакции. Эти реакции протекают благодаря созданию ядерных молекул, которые состоят из нескольких ядер гелия. Ядерные молекулы образуются, посредством слияния нескольких атомов ортогелия. Предлагается провести эксперименты, нацеленные на регистрацию многоядерных реакций путем пропускания электрических разрядов через гелий или через смесь гелия с водородом при давлении в несколько бар.
Ключевые слова: ядерная наука в конденсированной среде, низкоэнергетическая трансмутация, многоядерные реакции, ядерные молекулы, Бозе-конденсат.
PACS: 03.75.MN; 03.75.NT; 25.70.JJ; 31.15.XG_
Содержание
1. Введение (94)
2. эксперименты по синтезу химических элементов в гелии (95)
3. многоядерные реакции (96)
4. образование трансмолекул. электронный Бозе-конденсат (99)
5. ядерные процессы в ионизированном гелии (101)
6. Заключение (103) Литература (103)
1. ВВЕДЕНИЕ
Феноменологическая модель
низкоэнергетических ядерных реакций предполагает, что в них происходит слияние многих атомных ядер в одно общее образование и последующий распад этого образования на многие ядра [1-3]. Такая модель подразумевает, что для осуществления этих реакций в возбужденной, конденсированной среде должны возникнуть некоторые локальные области — "капсулы", содержащие внутри себя большое количество атомов [4]. Внутри этих "капсул" изменяются условия протекания физических процессов и структуры атомов и ядер. При
этом не важно, каким методом происходит возбуждение среды и создание в ней "капсул": то ли это электронный взрыв или электроразряд, кавитация или электролиз, химическая реакция или биохимическая реакция, или радиация.
В многочисленных работах, выполненных Дидыком А.Ю. и др. в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) им. Г.Н. Флёрова ОИЯИ [5-12, более 40 статей], проводились многочасовые облучения тормозными гамма квантами с максимальной энергией Е =10 МэВ и
^ мах
Е =23 МэВ металлических образцов в
мах
атмосфере газообразного дейтерия, водорода или гелия при давлениях сотни-тысячи бар. При таких давлениях плотность атомов газов сравнима с плотностью атомов в твердом теле и жидкостях. Поэтому, далее, употребляется термин — конденсированный газ. Такие же исследования были выполнены в камерах с конденсированными чистыми газами: водородом, гелием [8-11] и ксеноном [12] при облучении их гамма квантами с Е = 10 МэВ.
мах
Во всех экспериментах после окончания облучений в реакционных камерах были обнаружены "посторонние" химические элементы, отсутствующие в них до начала
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
облучений. Диапазон "посторонних" элементов простирается от водорода до висмута. В этой статье приводятся результаты экспериментов по синтезу химических элементов под действием тормозного излучения с Е = 10 МэВ в конденсированном гелии 4Не (99,999) при двух давлениях: 1.1 кбар и 3.05 кбар. Для объяснения появления в экспериментах "посторонних" химических элементов привлечен новый механизм: многоядерные реакции.
2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО СИНТЕЗУ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЕЛИИ
Камера высокого давления гелия (НеНРС) изображена на рис. 1. Корпус камеры (3) и входное, уплотняющее окно (2) были изготовлены из бериллиевой бронзы. В корпус камеры вставлялись вкладыш (6) и втулка (7), изготовленные из чистой меди — 99.9%. Внутренние размеры камеры, заполненной гелием (5), составляли: длина — 15 мм, диаметр — 8 мм, объем — 0.75 см3. Давление гелия после заполнения им НеНРС перед началом облучения контролировалось с помощью тензодатчика (8) в течение нескольких недель.
Облучение НеНРС проводилось тормозными гамма квантами (1) с максимальной энергий 10 МэВ на ускорителе электронов МТ-25 ЛЯР ОИЯИ. Ток электронов на вольфрамовом конвекторе-диске диаметром 40 мм и толщиной 2.5 мм, преобразующим поток электронов в гамма кванты, составлял (1-1.5)'1014 с-1. Диаметр пучка электронов 6-7 мм. Расходимость пучка гамма квантов на полувысоте интенсивности составляла по горизонтали 10°±1° и 8°±1° по вертикали. За конвектором, вплотную располагался поглотитель электронов толщиной
2 3 ^567
Рис. 1. Камера высокого давления НеНРС.
Таблица 1
Параметры облучений
№ Р, АР, Р, Т, с I, с-1
кбар бар ат/см3 ■10-5 ■10-14
1 1.1 666 1.51022 1.02 1.2-1.5
2 3.05 63 2.61022 1.0 1-1.2
25 мм, изготовленный из дюраля алюминия Д16Т. Облучение проводилось по 7-8 часов в день. В табл. 1 представлены параметры облучений [8-11]: № — номер эксперимента; Р — давление гелия в начале облучения; АР — разница давления гелия в начале и в конце облучения; Т — время облучения; I — ток электронов.
После окончания облучений гелий выпускался из НеНРС в окружающую среду и камера вскрывалась. Наиболее впечатляющем результатом в первом эксперименте при давлении 1.1 кбар было обнаружение во внутренней части НеНРС тонких, цилиндрических, черных фольг значительных размеров (4). Фольги (рис. 2) преимущественно состояли из углерода и оставляли на бумаге маслянистые следы. Последнее говорит о присутствие на фольгах жидких масел в виде углеводородов и о синтезе водорода.
Во втором эксперименте при давлении 3.05 кбар углеродных фольг не обнаружено. Предположительно, это связано с небольшим падением давления в камере в процессе облучения: во втором эксперименте оно составило 63 бар, а в первом — 666 бар (табл. 1). С помощью методов растровой электронной микроскопии (РЭМ) и рентгеновского микрозондового анализа (РМЗА) исследовался элементный состав: входного окна из бериллиевой бронзы, аномальных структур и микрочастиц (объектов),
Рис. 2. Фотографии черных фольг.
образовавшихся в результате облучений на внутренних поверхностях вкладышей, втулок. Все исследования РЭМ и РМЗА проводились в двух независимых сертифицированных лабораториях: в аналитическом центре НИИЯФ им. Д.В. Скобельцына МГУ и в ФГБНУ "Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий". РМЗА полученных структур и микрочастиц проводился при площади возбуждения электронным лучом ~ 1-4 мкм2. В отдельных случаях объект исследования сканировался электронным лучом микроскопа вдоль определенной полосы, по длине которой получалось несколько рентгеновских спектров.
На рис. 3 и 4 представлены усредненные концентрации элементов К в атомных процентах в экспериментах с давлением гелия 1.1 кбар и 3 кбар в зависимости от заряда ядра Z. В случае 1.1 кбар усреднение проводилось по 11 измерениям разных объектов [8-10], в случае 3 кбар усреднение проводилось по 17 измерениям разных объектов [11]. При сравнении рисунков видно, что набор элементов в первом эксперименте с давлением 1.1 кбар богаче, чем во втором эксперименте с давлением 3 кбар. Общим для обоих распределений по химическим элементам является наличие группы легких элементов от углерода 6С до цинка 3с^п. Наряду с легкими химическими элементами, в первом эксперименте обнаружены: мышьяк 33As, олово 5с^п, теллур 52Те, барий 56Ва, тантал 73Та и свинец 82РЬ. Во втором эксперименте эти химические элементы не обнаружены. С зарядом ядра Z > 30 присутствует только один элемент — серебро 47А^ По-видимому, это отличие также
102 101 10
/
1С-1
ю2 1С3
с
си
Э т
Бе
21
Те
Эп
Ва
Та
РЬ
5 1015 20 25 30 3540 45 50 55 60 65 70 75
102-
101
1С0
1С-1
1Сг2
Co
си
МэА1 с Са
Э
К
т
Пэ
СГ
Со
2п
Ад
5 10 15 20 25 ^ 30" '3б'' '40 '' 50
Рис. 4. Концентрации элементов с Р = 3 кбар.
связано с небольшим падением давления в камере в процессе облучения во втором эксперименте 3 кбар.
Из фактов наличия углеродных фольг и производства химических элементов с Z > 30 в эксперименте с давлением 1.1 кбар и, практически, их отсутствия в эксперименте с давлением 3 кбар можно предположить, что скорость реакций синтеза химических элементов зависит от давления гелия. Реакции синтеза идут интенсивнее при давлении 1.1 кбар, чем при давлении 3 кбар. По-видимому, имеется оптимальная величина давления газа, при которой скорость реакций, при прочих равных условиях, является максимальной.
3. МНОГОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ На рис. 5 представлена усредненная концентрация химических элементов, сделанная по пяти измерениям (черные точки). Два измерения были сделаны на углеродной фольге и три измерения на микрочастицах [9, табл. 3, 4]. Этот рисунок был построен и проанализирован первым наряду с 100, \с
10,
1
0,1
0,01
80 85 90
Б
N3
А 2\;с
\
Б ^
Са
. Т
К
Ре
Си
4 ё' 8' 10 12' 141б 18 2^ 2^ 24 2^ 28 30
Рис. 3. Концентрации элементов с Р = 1.1 кбар.
Рис. 5. Концентрация элементов по пяти измерениям.
N
Р
П
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
представленными рисунками 3 и 4. Обращают на себя внимание группы элементов. Через точки во всех этих группах можно провести прямые линии. На рис. 5 линии этих групп пронумерованы. Первая и вторая — это группы химических элементов четные по заряду ядер. В их состав входят элементы: углерод-кислород-магний и кремний-сера. Третья и четвертая — это группы химических элементов нечетные по заряду ядер. В них входят элементы: азот-фтор-натрий и фосфор-хлор-калий.
Поскольку элементы в группах отстают друг от друга на заряд кратный двум, т.е. на ядро гелия 2Не, то можно предположить, что в конденсированном гелии под воздействием гамма квантов протекают многоядерные реакции.
Действительно, появление четных
N А
химических элементов 2 А можно представить как результат слияния в компаунд (п — 1) ядер гелия из общего образования, состоящего из "л" ядер гелия, с одновременным испусканием одного ядра гелия:
п • 2Не ^ А + 2Не + 0.
Появление нечетных химических элементов
N т}
2 в можно представить как результат слияния в компаунд "п" ядер гелия, но с испусканием протона:
п • 2Не ^ 42::1в+р+0,
где О — энергия, выделяющаяся в результате реакции. Общее образование, сформированное из отдельных ядер гелия, является ядерной молекулой — трансмолекулой [4]. Предполагается, что трансмолекула, состоящая из ядер гелия, обязана своему существованию ядерным и электромагнитным взаимодействиям. Реакция с вылетом гелия из трансмолекулы будет иметь большее сечение, чем реакция с испусканием протона, поскольку вылетающее ядро гелия не участвует в процессе слияния. Вероятность образования трансмолекул экспоненциально уменьшается с увеличением количества ядер гелия в их составе (рис. 6, зеленая линия). Если при слиянии ядер гелия в компаунд сохраняются отношения сечения с вылетом гелия к сечению с вылетом протона, то выходы соответствующих этим сечениям продуктов
Рис. 6. Трансформация трансмолекул (пАНе) с испусканием
гелия или протона. также должны экспоненциально уменьшаться. Такое поведение в выходах продуктов можно наблюдать на рис. 5, линии 1-4. На рис. 6 стрелками схематически изображены реакции трансформации трансмолекул от 160 до 36Аг с вылетом гелия (сплошная стрелка) или протона (пунктирная стрелка). Трансмолекула — "кислород 86О ", состоящая из четырех ядер гелия, трансформируется в углерод С с вылетом гелия или в азот 75 N с вылетом протона. Трансмолекула — "неон 20Ne ", состоящая из пяти ядер гелия, трансформируется в кислород 86О с вылетом гелия или во фтор ^ с вылетом протона и так далее. При слиянии ядер гелия в компаунд он может испарить нейтроны. Для выходов конечных продуктов испарение нейтрона и последующий |3+-распад компаунда эквивалентены эмиссии из него протона. Начиная с трансмолекулы "неона 2N", становятся возможны реакции с образованием двух и более фрагментов, например: 5-4Не ^ 12С + 2-4Не и 6-4Не ^ 12С + 12С.
Ядерная трансмолекула формируется за счет последовательного захвата ядер ортогелия или других трансмолекул. Средние расстояния между атомами гелия при температуре 300 К, давлении 1 кбар и 3 кбар составляют 4.1-10-10 м и 3.4-10-10 м, а среднее время между столкновениями атомов гелия ~ 3'10-13 с. Поэтому, трансмолекула является устойчивым образованием в масштабе ядерного времени 10-20-22 с. Следует предположить, что в ядерной трансмолекуле сосуществуют в "равновесии" ядерные силы, связывающие ее
МЫШИНСКИИ Г.В.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
ядра, и кулоновские силы отталкивания, не дающие ядрам моментально слиться.
В табл. 2 даны характеристики многоядерных реакций. № — номер строки. Во втором столбце представлены продукты реакций — •изотопы элементов, получающиеся в реакциях. В скобках дано содержание соответствующего изотопа в естественной смеси. Изотопы со знаком плюс А+ — это |3+-радиоактивные изотопы, испускающие позитроны е+. Там же дается время жизни изотопа. В третьем столбце представлена многоядерная реакция через образование трансмолекулы п-4Не. В четвертом столбце дана ядерная энергия связи (5) продуктов реакции. В пятом столбце
Таблица 2
Многоядерные реакции в гелии
№ Продукт реакции Реакция п-4Не £, кэВ 0, кэВ д, кэВ
1 7Ш (92.5%) 2-4Не - р 39245 -17347
2 8Ве 2-4Не - eY 56500 -92
3 9Ве 3-4Не - 3Не 58165 -19004
4 11В (80.0%) 3-4Не - р 76205 -8682
5 11С+ 20.4 т 3-4Не - п 73440 -11447
6 12С (98.9%) 3-4Не - eY 92162 7275
7 12С 4-4Не - 4Не 92162 7275 5 456
8 (0.37%) 4-4Не - р 115492 2309 2 165
9 150+ 2 т 4-4Не - п 111956 1227 1 150
10 160 (99.8%) 5-4Не - 4Не 127619 14437 11 549
11 19Р 5-4Не - р 147801 6323 6 007
12 1^е+ 17 s 5-4Не - п 143781 2302 2 187
13 2(^е(90.5%) 6-4Не - 4Не 160645 19166 15 972
14 23№ 6-4Не - р 186564 16790 16 090
15 23Мд+ 11 s 6-4Не - п 181725 11951 11 453
16 24Мд(79.0%) 7-4Не - 4Не 198257 28483 24 922
17 27А1 7-4Не - р 224952 26882 25 922
18 2^+ 4 s 7-4Не - п 219357 21287 20 527
19 28^(92.23%) 8-4Не - 4Не 236537 38467 34 193
20 31 р 8-4Не - р 262917 36551 35 409
21 3^+ 2.6 s 8-4Не - п 256738 30373 29 424
22 (95.02%) 9-4Не - 4Не 271781 45415 40 369
23 35С1 (75.8%) 9-4Не - р 298290 43549 42 339
24 35Аг+ 1.8 s 9-4Не - п 291462 36801 35 779
25 36Аг (0.34%) 10-4Не -4Не 306716 52055 46 849
26 39К(93.26%) 10-4Не - р 333724 50767 49 498
27 39Са+ 0.9 s 10-4Не - п 326411 43454 42 367
дана рассчитанная энергия (О), выделяющаяся в реакции. В шестом столбце указана энергия отдачи (¿¡) для гелия, протона и нейтрона.
Из табл. 2 видно, что химические элементы: литий, бериллий, бор не производятся в простых реакциях с вылетом гелия-3 и протона, т.к. О < 0. Эти элементы начинают появляться в паре с радиоактивными изотопами азота, кислорода, фтора и др., начиная с реакций с участием пяти и шести ядер гелия. Такие реакции требуют существенной перестройки компаунда, образованного путем слияния всех ядер гелия в трансмолекуле. Поэтому сечения этих реакций подавлены.
В табл. 2 следует обратить внимание на реакции, прописанные в строчках 2 и 6. Трансмолекулы, состоящие из двух и трех ядер гелия, могут быть относительно стабильными. В первом случае стабильность трансмолекулы 8Ве определяется, прежде всего, невозможностью слияния двух ядер гелия по энергетической причине О < 0. Во втором случае, несмотря на то, что энергия связи углерода 12С = 92161.7 кэВ больше, чем сумма энергий связи трех ядер гелия 3-4Не = 84887 кэВ на величину ~ 7274.7 кэВ, реакция 3-4Не ^ 12С + 6-е подавлена. Это связано с заторможенностью в перераспределении выделенной энергии за счет только электромагнитного взаимодействия между углеродом и шестью атомными электронами [13]. Шесть электронов связаны в Бозе-конденсат. Энергия их связи составляет ~ 3 кэВ. Кроме указанной реакции, может иметь место реакция: 3-4Не ^ 12С + 6-е- + у. Гамма квант с энергией 4438 кэВ в этой реакции появляется в результате распада возбужденного состояния углерода 12С.
Посмотрим на строчку 16 табл. 2. Энергия связи ядра гелия 4Не — 28295.6745 кэВ меньше, чем энергия, выделяющаяся в реакции: 7-4Не(2^) ^ + 4Не + 28483 кэВ, но она больше, чем энергия отдачи 4Не — 24922 кэВ. Таким образом, энергии реакции не хватает, чтобы разрушить вылетевшее ядро гелия 4Не. Поэтому, точка магния Mg на рис. 5 ещё остаётся на линии 1. Однако, сечение реакции с вылетом протона возрастает 7-4Не(2^) ^ 27А1 + р + 26882 кэВ и точка алюминия А1 смещается с линии 3 вверх на рис. 5.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
В строчке 19 табл. 2 в реакции: 8-4Не(3^) ^ + 4Не + 38467.2 кэВ,
выделяющаяся энергия и энергия отдачи 4Не уже больше, чем энергия связи ядра гелия 4Не. Поэтому, преимущественно идет реакция с вылетом протона и образованием фосфора Р. Реакция с вылетом гелия и образованием кремния Si подавлена, точка Si на рис. 5 смещается с линии 1 вниз. То же происходит в случае реакции с девятью ядрами гелия 9'4Не(36Аг) с образованием серы S и хлора С1. В измененных условиях, когда реакции с вылетом гелия подавлены, в сечениях реакций появляется новая систематика. Она выражается в том, что величины выходов химических элементов в реакциях начинают размещаться на других линиях 2•(Si-S) и 4-(Р-а-К) (рис. 5).
Наработка химических элементов после хлора с Z > 19 (рис. 5), по-видимому, определяется вторичными процессами. В этих процессах, в многоядерных взаимодействиях участвуют преобразованные атомы (трансатомы [15]) химических элементов, полученных в предыдущих реакциях. Следует обратить внимание на 100-процентную наработку в многоядерных реакциях 15Ы и 36Аг, строчки 8 и 25 табл. 2. В естественной смеси их присутствие составляет 0.37% и 0.34%. Поэтому, в анализах по массам преимущественная регистрация изотопов 15Ы и 36Аг будет свидетельствовать о протекании в конденсированном гелии многоядерных реакций.
4. ОБРАЗОВАНИЕ ТРАНСМОЛЕКУЛ. ЭЛЕКТРОННЫЙ БОЗЕ-КОНДЕНСАТ
Для того, чтобы ядра гелия образовали трансмолекулу, необходимо, чтобы атомы гелия превратились в трансатомы гелия (рис. 7). Атомы гелия являются уникальными атомами для такого превращения. Известно, что атомы гелия имеют два устойчивых, основных состояния:
Рис. 7. Основные состояния атома гелия.
парагелий 1*Б и ортогелий 23Б. Возможность существования ортогелия [14] и трансгелия [15] обязаны обменному взаимодействию, связанному с неразличимостью электронов (принцип тождественности). Обменное взаимодействие характеризуется величиной обменной энергии ("А"). В отличие от электростатической энергии "С" вклад обменной энергии в полную энергию системы может иметь разный знак в зависимости от того, симметрична или антисимметрична спиновая часть волновой функции. Поправка ДЕ к полной энергии системы (1), связанная с взаимодействием электронов, определяется по теории возмущения и равна: ДЕ = С ± А, (1)
где знак "+" относится к антисимметричному ^ спиновому состоянию S = 0, а знак "—" относится к симметричному ^ спиновому состоянию S = 1. В атоме энергия кулоновского отталкивания электронов "С" и обменная энергия "А" (обменный интеграл) положительны. Поэтому, благодаря обменной энергии, в атоме гелия существуют как силы притяжения между электронами (ортогелий), так и силы отталкивания (1). У парагелия спины электронов антипараллельны у ортогелия они параллельны ^ (рис. 7). В отличие от парагелия, согласно принципу Паули, электроны у ортогелия не могут находиться одновременно в одном и том же состоянии. Поэтому у ортогелия электроны находятся в разных состояниях, на разных энергетических уровнях (рис. 7). Основные состояния у парагелия и ортогелия отличаются на 19.77 эВ. Линии парагелия — синглеты ^ = 0), а линии ортогелия — триплеты ^ = 1). Характеристические линии в оптическом спектре имеют длины волн у парагелия 501.6 нм, у ортогелия 587.6 нм. Переход с излучением двух фотонов 2381 ^ 1*Б0 + 2у между орто- и парагелием сильно подавлен и имеет время жизни 2.5-108 с. Однофотонный, магнитно-дипольный распад 23Б-состояния имеет время жизни 8'103 с. Однако возможны безизлучательные переходы при взаимодействии ортогелия с налетающим электроном или другим атомом.
Ортогелий, в отличие от парагелия, обладает сильным магнитным полем, поскольку магнитные моменты его электронов всегда параллельны. Радиус орбитали Я первого электрона в ортогелии
(или в атоме парагелия) равен 3.Г10-11 м, радиус орбитали Я второго электрона ортогелия равен 8.76'10-11 м. Магнитный момент электрона создает магнитное поле с вектором магнитной индукции В равным [16]:
Би=к
Зп(це • п)-це
(2)
. 4/"оК
Ошгопепигп Тгапвтоюсин Ве Рис. 8.
, 8
Тгэпзгпо1еси1е
■Ве и 12С.
где = 1.26-10-6 Гн/м — магнитная постоянная, ^ = 9.29-10-24 Дж/Тл = 5.79-10-5 эВ/Тл, г — расстояние от электрона до точки, в которой определяется поле, п — единичный вектор в направлении г. В центре атома ортогелия, в области ядра магнитное поле В0 рассчитывается по формуле (2):
Во = — ^/К-!3 — №/К3 = —393 — 17 = —410 Тл. Знак минус означает, что в центре атома магнитное поле направлено в сторону, противоположную направлению магнитных моментов электронов. Магнитное поле в точке, расположенной на оси С (рис. 7) на расстоянии Я2 от ядра, ВК2 ~ 70 Тл и направлено параллельно магнитным моментам электронов Ось С восстановлена перпендикулярно электронным орбиталям и проходит через центр атома. На расстоянии с2 »на оси С вектор магнитной индукции для ортогелия из выражения (2) равен
и параллелен ^ . Следовательно, два
с
атома ортогелия притягиваются друг к другу с магнитной самофокусировкой по оси С. Энергия магнитного взаимодействия для них вдоль оси С равна Е^ = 4р.е'ВС. На расстоянии Я2 энергия магнитного взаимодействия равна ~ 0.016 эВ. По мере сближения двух атомов ортогелия энергия их взаимодействия будет увеличиваться.
С уменьшением расстояния между атомами ортогелия движение электронов в одном ортогелии будет за счет электромагнитного взаимодействия синхронизироваться с движением электронов во втором ортогелии. Такая синхронизация приводит к тому, что у атомов ортогелия как внутренние, так и внешние электроны будут находиться на орбиталях в диаметрально противоположных позициях (рис. 8). Вследствие этого, суммы импульсов отдельно внешних и отдельно внутренних электронов равны нулю Р1 = —Р2 (рис. 7), что является одним из условий спаривания электронов. Более того, в результате возникающего дополнительного, притягивающего обменного взаимодействия
между электронами, принадлежащими разным атомам ортогелия, и под действием сильного магнитного поля, эти электроны попарно образуют связанные в бозон куперовские пары с Б = 1 (рис. 8). Эти электронные бозоны являются общими для двух ядер гелия. Таким образом, у возбужденной, ядерной трансмолекулы "бериллия 8Ве" одна куперовская пара электронов находится на внешней орбитали, а вторая куперовская пара на внутренней орбитали (рис. 8). Поскольку внешняя пара является бозоном, она сразу переходит в основное состояние, испуская при этом два фотона. Следовательно, вокруг трансмолекулы создается электронный Бозе-конденсат. Радиус трансмолекулы "бериллия 8Ве" Ке = 1.32-10-11 м. Магнитные поля: в центре В = 2'104 Тл, а на расстоянии 1.2-^ от центра ВЯ = 4-103 Тл [15].
Магнитное взаимодействие атома ортогелия и трансмолекулы "8Ве", а также обменное взаимодействие между их электронами приводят к преобразованию атома ортогелия в атом трансгелия (рис. 8). Радиус трансгелия ЯНе = 2.64-10-11 м, В0 = 1.3-103 Тл. Дальнейшее взаимодействие уже трансгелия с трансмолекулой "8Ве" ведет к образованию трансмолекулы "углерода 12С". Радиус трансмолекулы "12С" Я = 0.89'10-11 м. Магнитные поля: в центре В0 = 105 Тл, а на расстоянии 1.2'ЯС от центра В = 2-104 Тл. Возможность существования трансмолекул обусловлена ядерными силами и сверхсильными, неоднородными магнитными полями 104-3'108 Тл в их центрах [15].
Как отмечено в параграфе 3, трансмолекулы "8Ве" и "12С" могут быть стабильными. Поэтому они вступают во взаимодействие как с ортогелием, трансформируя его в трансгелий, так и между собой. Результатом таких взаимодействий является образование других, более тяжелых ядерных трансмолекул. На рис. 9 показаны разные комбинации, состоящие из атомов ортогелия, трансмолекул "8Ве" и "12С", которые
3
г
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Мд+ Не А1_+р
8Г+ п
Рис. 9. Образование и распад трансмолекул. приводят к образованию: А — трансмолекулы "кислорода 160"; В — трансмолекулы "неона 20Ые"; С — трансмолекулы "магния 24Mg" и D — трансмолекулы "кремния 2^". Например, "160" можно получить в
трансмолекулу
комбинации трансмолекулы "12С" с ортогелием или в комбинации с двумя трансмолекулами "8Ве". Стрелками справа (рис. 9) указаны изотопы химических элементов, получающиеся в результате многоядерных реакций с испусканием ядра гелия 4Не, протонар и нейтрона п (табл. 2).
Таким образом, создание трансмолекул зависит от сечения образования ортогелия и от его объемной плотности. После возникновения трансмолекул многоядерные реакции протекают автоматически. Следовательно, величина сечений многоядерных реакций сравнивается с величиной сечений атомных процессов!
5. ЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ИОНИЗИРОВАННОМ ГЕЛИИ
Из предыдущих параграфов становится очевидным, что гамма кванты не участвуют в многоядерных реакциях. Они просто ионизируют атомы гелия. Потенциал ионизации атома гелия равен 24.59 эВ. При рекомбинации — захвате свободных электронов ионами гелия, образуется смесь из двух "газов" парагелия и ортогелия. Так как плотность уровней у ортогелия в три раза больше, чем у парагелия, то вероятность образования ортогелия в процессе рекомбинации ионов также должна быть в три раза больше. Плотность ортогелия должна быть такой, чтобы магнитные силы притяжения между ними приводили к образованию трансмолекул.
Это достигается тем, что, во-первых, в конденсированном гелии расстояния между его атомами невелики (3-4)-10-10 м, а, во-вторых, порожденные интенсивными потоками гамма квантов комптоновские электроны с большой энергией отдачи создают в гелии "плазменные треки" с высокой плотностью ионов и электронов внутри них.
Чем больше плотность ионов, тем больше плотность ортогелия. Чем больше плотность электронов, тем интенсивнее безизлучательные переходы ортогелия в парагелий. Тем самым, имеется два противоположных процесса. Таким образом, при данной электронной плотности удельной ионизации, по-видимому, имеется оптимальная плотность, давление конденсированного гелия, при которой плотность ортогелия максимальна.
В конденсированных газах "плазменный трек" является той "капсулой", внутри которой изменяются условия протекания физических процессов и структуры атомов и ядер. Использование интенсивных потоков гамма квантов оказывается наиболее подходящим способом для ионизации конденсированного гелия, в силу их высокой проникающей способности через толстые стенки реакционной камеры. Другие радиационные излучения, в совокупности с высокой ионизацией, такой проникающей способностью не обладают. Отметим, что продукты многоядерных реакций: фрагменты, альфа-частицы и протоны имеют более высокую плотность удельной ионизации, чем электроны. Поэтому, они, в свою очередь, порождают вдоль своих треков плазму более плотную, чем электроны. Возможно, тем самым, создаются условия для цепной реакции.
Поскольку многоядерные реакции связаны с ионизацией гелия, следует попытаться зарегистрировать ядерные излучения, например: гамма кванты, пропуская через гелий обычные электрические разряды при давлениях гелия до несколько бар.
Как указывалось в параграфе 3, при слиянии
12
трех ядер гелия в трансмолекуле С может протекать реакция: 3-4Не ^ 12С + 6-е- + у. Гамма квант с энергией 4438 кэВ в этой реакции излучается в результате распада возбужденного состояния углерода 12С. Гамма квант с такой же
энергией может появиться в результате реакции: 4,4He ^ 12C + 4He + у. В многоядерных реакциях с испарением нейтрона (табл. 2) образуются Р+-радиоактивные изотопы, испускающие позитроны e+. В результате аннигиляции позитрона с электроном излучаются два гамма кванта каждый с энергией 511 кэВ.
Следует попытаться зарегистрировать указанные выше гамма кванты при облучении гелия мощным альфа- или бета источником, помещенным внутрь газовой камеры с давлением ~ 1 кбар.
Нельзя исключить, что в экспериментах [17], проводимых в пятидесятые годы прошлого века под руководством Курчатова И.В., и исследующих возможность запуска термоядерных реакций в газовой среде водорода, дейтерия, гелия и их смеси, появление нейтронов и мощного рентгеновского излучения в диапазоне энергий 300-400 кэВ связано с многоядерными процессами. Плазму не надо, даже вредно разогревать.
Естественно, атомы синтезированных химических элементов при их возбуждении электрическими разрядами будут излучать характеристическое излучение в оптическом диапазоне. По этой причине вызывают интерес эксперименты, ставящие своей целью зарегистрировать характеристическое, оптическое излучение как продуктов ядерных реакций, так и, что еще интереснее, трансмолекул.
Все электроны в четных по заряду, легких трансмолекулах связаны в бозоны и имеют энергию связи в трансмолекуле и энергию переходов между возбужденными уровнями в сотни электрон-вольт [15]. Поэтому было бы интересно исследовать нечетные по заряду трансмолекулы, у которых только один электрон не связан в бозон. Возможно, такую трансмолекулу можно получить в смеси водорода и гелия. Действительно, образовавшиеся в результате электрических разрядов трансмолекулы "бериллия 8Be" и "углерода 12C" могут соединиться за счет магнитного притяжения и сильных центральных магнитных полей с атомом протия и его ядром (протоном), создав тем самым нечетную трансмолекулу. Магнитные поля атома протия (водорода): в центре B0 = 79 Тл, а на расстоянии 1.2'RH от центра BRH = 16 Тл. В
случае присоединения протона к трансмолекуле "8Ве" образуется трансмолекула "бора 9В". При присоединении протона к трансмолекуле "12С" образуется трансмолекула "азота 13Ы". Трансмолекула "азота 13Ы" менее устойчива, чем "12С". Она распадается по реакции: 13Ы — 12С + р, возможно, с излучением гамма кванта с энергией 4438 кэВ.
Такие ядерные трансмолекулы представляют собой водородоподобные атомы с тяжелыми многоядерными образованиями в центре. Внешний электрон в них движется по орбитали в сильном магнитном поле, которое создается спаренными электронами. В приближении, когда радиусы орбиталей внешнего электрона "бора 9В" и "азота 13Ы" равны радиусу атома водорода RH = 5.29^10-11 м, вектор магнитной индукции у трансмолекулы "9В" на ^ равен
Вян
РеМоМ
^ = 316 Тл, у трансмолекулы
"13N" - Brh =
474Тл (Б,
где Pe — количество спаренных
электронов [15]). По этим причинам внешние электронные орбитали у трансмолекул "9В" и "13Ы" смещаются относительно орбиталей атома водорода в соответствие с поправками для приведенных масс в постоянной Ридберга (3) и расщепляются на два подуровня, согласно формуле (4):
ЯА = К/(1+ше/МА), (3)
АЕ = ± ^Вн (4)
где ЯА — постоянная Ридберга для атома с ядром массой МА, Я — постоянная Ридберга, ше — масса электрона. В нашем случае МА равна: 2 или 3 ядра 4Не плюс протон. В табл. 3 даны основные линии серии Бальмера (п —> 2, п — главное квантовое число) в нанометрах, находящиеся в видимом диапазоне, для атома водорода (АН), смещенные (Ама) для трансмолекул "9В" (А9В) и
Таблица 3
Линии Бальмера для трансмолекул 9В, 13N
Ha 3^2 H 4^2 Hv 5^2 H5 6^2 HE 7^2 Hz 8^2
АН 656.279 486.133 434.047 410.174 397.007 388.9
А9Б 655.961 485.898 433.837 409.976 396.815 388.7
An 9Б 655.853 655.870 656.052 655.069 485.844 485.952 433.794 433.880 409.937 410,015 396.779 396.851 388.67 388.73
A13N 655.952 485.890 433.830 409.969 396.809 388.7
An 13N 655.759 655.816 656.088 656.114 485.809 485.971 433.765 433.895 409.911 410.027 396.755 396.863 388.65 388.75
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
"13Ы" (^13Ы) и расщепленные для трансмолекул "9В" (Ь9В) и "13Ы" (^п13Ы). Смещения переходов, согласно (3), рассчитывались по формуле:
V = \нМн(Мл + те)/МА(Мн + ш) где М -масса протона.
Все уровни внешнего электрона трансмолекул "9В" и "13Ы" не просто смещаются, они расщепляются, согласно (4), на два состояния. Для трансмолекулы "9В" расщепление основного состояния (п = 1) по энергии равно ДЕ = ±1.83-10-2 эВ, для трансмолекулы "13Ы" расщепление основного состояния равно ДЕ = ±2.74-10-2 эВ (4).
Поскольку радиусы электронных
орбиталей водорода тп = Ь-п2/2-ше2, то г2 = 2.1-10-10 м, т3 = 4.8-10-10 м. Магнитные поля у трансмолекулы "бора 9В" на т2 и т3 равны Вг2 = 4.91 Тл и Вг3 = 0.43 Тл, у трансмолекулы "азота 13Ы" - В ' = 7.37 Тл и В , = 0.65 Тл.
г2 г3
Соответственно, расщепления уровней г2 и г3 составят для трансмолекулы "9В" ДЕг2 = ±2.85'10-4 эВ и ДЕг3 = ±2.51-10-5 эВ; 'для трансмолекулы "13Ы" расщепления уровней на г2 и г3 составят ДЕг2 = ±4.26^10-4 эВ и ДЕг2 = ±3.76'10-5 эВ. Следовательно, в спектре (3 ^ 2) будут наблюдаться 4 линии — дублеты На расщепленных уровней г2 и г3. Поскольку на орбиталях с п > 4 магнитные поля, создаваемые спаренными электронами, незначительны, то в спектре будут наблюдаться две линии для переходов: Н Н^ и др. Из табл. 3 видно, что расстояния между расщепленными состояниями существенны и должны хорошо регистрироваться спектральными приборами.
Таким образом, есть относительно простые ядерные и спектральные методы, с помощью которых можно попытаться зарегистрировать в электрических разрядах протекание многоядерных реакций в гелии или смеси гелия с водородом при их давлении до несколько бар.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При облучениях конденсированного гелия при давлениях 1.1 и 3.05 кбар тормозными гамма квантами с максимальной энергией 10 МэВ, в объеме реакционной камеры обнаружены химические элементы, отсутствующие в ней до начала облучений.
Появление "посторонних" химических элементов объясняется многоядерными реакциями. Многоядерные реакции протекают благодаря образованию ядерных трансмолекул, которые состоят из нескольких ядер гелия. Первичные ядерные трансмолекулы "бериллия 8Be" с электронами, попарно связанными в бозоны с S = 1, создаются путем слияния двух атомов ортогелия. Более тяжелые трансмолекулы образуются путем слияния ортогелия и менее тяжелых трансмолекул друг с другом.
Атомы ортогелия появляются в гелии в результате его ионизации гамма излучением и последующей рекомбинацией возникших ионов. Таким образом, сечение низкоэнергетических, многоядерных реакций напрямую зависит от объемной плотности ортогелия, т.е. зависит от сечений атомных процессов.
Следует провести эксперименты, нацеленные на регистрацию многоядерных реакций путем пропускания электрических разрядов через гелий или через смесь гелия с водородом при их давлении в несколько бар. В случае их регистрации, предлагается вернуться к идее производства энергии в электрических разрядах в конденсированных легких газах: водороде, дейтерии, гелии и в их смесях [17].
ЛИТЕРАТУРА
1. Kuznetsov VD, Mishinsky GV, Penkov FM, Arbuzov VI, Zhemenik VI. Low energy transmutation of atomic nuclei of chemical elements. Annales de la Fondation Louis de Broglie, 2003, 28(2):173-214.
2. Mishinsky GV, Kuznetsov VD. Element distribution in the products of low energy transmutation. Nucleosynthesis. Annales de la Fondation Louis de Broglie, 2008, 33(3-4):331-356; Материалы 14-й Российской конф. по холодной трансмутации ядер химических элементов, 2008, М., с. 79-97.
3. Urutskoev LI, Filippov DV. On the possibility of nuclear transformation in low-temperature plasma from the viewpoint of conservation
laws. Annales de la Fondation Louis de Broglie, 2004, 29(3):1187-1205.
4. Мышинский ГВ. Трансатомы — трансядра, и их свойства. Материалы 18-й Российской
5.
6.
конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов, 2012, М., с. 94-106. Didyk AYu, Wisniewski R. Nuclear reactions, induced by gamma quanta, in palladium saturated with deuterium surrounded by dense deuterium gas. Europhys. Lett, 2012, 99(2):22001. Дидык АЮ, Вишневский Р. Результаты
по облучению алюминия и гомогенного сплава YMn у-квантами с энергией 23 МэВ в атмосфере молекулярного дейтерия при давлении 2 кбар. Письма в ЭЧАЯ, 2014, 11, №3 (187):284-298.
7. Дидык АЮ. Ядерные реакции синтеза и деления химических элементов и образование новых структур в плотных газах Н D и He при облучении 10 МэВ-ными у-квантами. Физика и химия обработки материалов, 2015, 2:5-19.
8. Didyk AYu, Wisniewski R and Wilczynska-Kitowska T. The carbon-based structures synthesized through nuclear reactions in helium at 1.1 kbar pressure under irradiation with braking y-rays of 10 MeV threshold energy. Europhys. Lett, 2015, 109(22001):1-6.
9. Дидык АЮ, Вишневский Р. Свойства структур на основе углерода, синтезированных в ядерных реакциях в гелии при давлении 1.1 кбар под действием облучения тормозными у-квантами с пороговой энергией 10 МэВ. Письма в ЭЧАЯ, 2016, 13, №4 (202):777-792.
10. Дидык АЮ, Вишневский Р. Ядерные реакции, синтез химических элементов и новых структур в плотном гелии при давлении 1.1 кбар под действием облучения тормозными у-квантами с пороговой энергией 10 МэВ. Препринт Р15-2014-50, ОИЯИ, Дубна, 2014, 40 с.
11. Дидык АЮ, Вишневский Р. Синтез новых структур и образование химических элементов в плотном гелии при давлении 3.05 кбар при облучении тормозными у-квантами с пороговой энергией 10 МэВ. Препринт Р15-2014-87, ОИЯИ, Дубна, 2014, 23 с.
12. Дидык АЮ, Гульбекян ГГ, Мышинский ГВ, Сабельников АВ. Синтез микрочастиц сложного состава в камере высокого давления ксенона (550 бар) при облучении тормозным излучением с максимальной энергией 10
МэВ. Препринт Р15-2016-19, ОИЯИ, Дубна, 2016, 49 с.
13. Kaiman P, Keszthelyi T. Lattice effect in solid state internal conversion. Phys. Rev. C, 2009, 79(0316026):1-4.
14. Heisenberg W Über die Spektra von Atomsystemen mit zwei Elektronen. Z. Phys., 1926, 39(7):499-518.
15. Мышинский ГВ. Магнитные поля трансатомов. Спиновый-нуклидный-электронный конденсат. Журнал формирующихся направлений науки, 2017, 15-16(5):6-25.
16. Ландау ЛД, Лифшиц ЕМ. Теория поля. М., Наука, 1973, 138 с.
17. Курчатов ИВ. О возможности создания термоядерных реакций в газовом разряде. УФН, 1956, 59(4):603-618.
Мышинский Геннадий Владимирович
научный сотрудник
Объединенный институт ядерных исследований 6, ул. Жолио-Кюри, г. Дубна, Моск. обл. 141980, Россия mysh@jinr.ru.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
MULTINUCLEAR REACTIONS IN CONDENSED HELIUM
Gennady V. Mishinsky
Joint Institute for Nuclear Research, http://www.jinr.ru/
6, str. Joliot Curie, Dubna, Moscow Region 141980, Russian Federation
mysh@jinr.ru
Abstract. Helium high-pressure chambers filled with gaseous helium at pressures of about 1.1 and 3 kbar were irradiated by bremsstrahlung gamma rays with a maximum energy of 10 MeV during ~105 s. Inside the reaction chambers "extraneous" chemical elements are found which were absent prior to the onset of irradiation. To explain the appearance of synthesized elements, a new mechanism is proposed: multinuclear reactions. These reactions are due to the creation of nuclear molecules which consist of several helium nuclei. Nuclear molecules are formed by the fusion of several orthohelium atoms. It is proposed to execute experiments aimed at recording multinuclear reactions by passing electric discharges through helium or through a mixture of helium and hydrogen at a pressure of several bars.
Keywords: condensed matter nuclear science, low energy transmutation, multinuclear reactions, nuclear molecules, Bose-Einstein condensate
PACS: 03.75.Mn; 03.75.Nt; 25.70.Jj; 31.15.xg
Bibliography — 17 references
RENSIT, 2017, 9(1):94-105_
Received 25.04.2017 DOI: 10.17725/rensit.2017.09.094
