Холодный ядерный синтез и проблема образования легких

Доклады независимых авторов
2008 выпуск 9
Карпов М.А.
Холодный ядерный синтез и
проблема образования легких
элементов в земной коре и метеоритах
Аннотация
В настоящее время исследования по прохождению реакции
синтеза легких ядер в условиях нормальных температур (так
называемого холодного ядерного синтеза) проводятся и
подтверждаются во многих лабораториях мира. Есть
основания полагать, что данные реакции происходили и
происходят в окружающей нас природе. Некоторые факты по
распространенности легких элементов в земной коре и
метеоритах а также их изотопный состав позволяют сделать
предположение об их образовании посредством реакции
холодного ядерного синтеза. Как и в каких условиях это могло
происходить попытаемся проследить далее.
Оглавление
1. Сущность проблемы.
2. Земная кора.
3. Метеориты.
Литература
1. Сущность проблемы.
Из ядерной астрофизики известно, что в космическом веществе
мало распространены такие элементы как Li, Be, B. Это связано с
тем, что эти элементы легко разрушаются в ядерных реакциях и
поэтому считается, что их эффективное производство возможно
только в неравновесных процессах в космической плазме (взрывы
сверхновых, космические лучи и т. д.) Этим объясняется их
относительное обилие ( в 30 раз больше ) в земной коре и
метеоритах по сравнению с космосом.
Необычным также является следующее. Ядра с четным
массовым
числом
имеют
обычно
более
высокую
распространенность. Исключением служит изотопный состав Li и B
в земле и метеоритах, где преобладают изотопы с нечетным числом
(Li-7, B-11). С объяснением данного необычного изотопного
165
Физика и астрономия
состава также возникают трудности, указывающие на наличие
дополнительного эффективного источника образования этих
элементов.[4]
Кроме того, в последние годы стало известно что, наряду с
общим сходством химического состава изотопный состав
метеоритов довольно существенно отличается от изотопного
состава Солнечной системы. Это явилось причиной попыток
объяснить
данные
изотопные
аномалии
внесолнечным
удаленнокосмическим происхождения метеоритного вещества. На
самом же деле причина данных аномалий имеет более
реалистичный характер и связана с ядерными трансмутациями,
происходящими в метеоритном веществе в моменты столкновений
метеоритов и астероидных тел. Рассмотрим отдельно процессы,
происходящие в земной коре и метеоритах.
2. Земная кора.
Относительно высокое (3.10-3%) содержание Li-7 в земной коре
( в мантии он отсутствует) может быть обусловлено прохождением
реакции слияния двух ядер He-4 в процессе холодного ядерного
синтеза с выбросом одного протона.
He-4 постоянно образуется в земной коре в результате альфараспада радиоактивных элементов (Th,U). Если бы он оставался в
земной коре, его концентрация была бы близка к тем же значениям,
что и у Li-7. Фактическое (3.10-7%) низкое значение его содержания
объясняется его летучестью, благодаря которой он покидает землю
и атмосферу. Однако, при высоких давлениях ( порядка 10+5 и
более атмосфер) в условиях разрушения кристаллической структуры
породы и под воздействием кинетической энергии излучаемых
альфа-частиц (см. статью «Энергетически выгодный холодный
ядерный синтез. Возможно ли это?») вероятность слияния ядер He4 с выбросом протона возрастает.
Почему же эта реакция происходит с выбросом протона? Чтобы
это понять, надо обратиться к результатам лабораторных
экспериментов по холодному ядерному синтезу дейтерия в условиях
электролиза на палладиевом электроде, а также в условиях
акустической кавитации в жидкости. И в том и в другом случае
имеет место огромное преобладание трития (H-3) над гелием-3 в
качестве продукта реакции, хотя в условиях высоких температур
(при термоядерных реакциях) прохождение этих двух реакций
примерно равновероятно. Это означает, что реакция происходит не
под действием высоких локальных температур или ускоряющих
166
Доклады независимых авторов
2008 выпуск 9
электрических микрополей, а в результате слияния ядер в локальной
зоне (~10-9см) действия частиц без электрического заряда массой
0,36 m электрона. Эти частицы-поля при ударном механическом
воздействии (единицы и десятки электронвольт на атом)
отрываются от атомов среды и приходят в свободное движение. В
локальном поле притяжения этих частиц происходит поляризация
и слияние ядер дейтерия с выбросом «лишнего» протона.
Подробнее см. в статьях [1,2,3 ]
Аналогично, в процессе слияния двух или трех (с меньшей
вероятностью) ядер гелия -4 в условиях разрушения кристаллов
окружающей породы при высоких давлениях и воздействии альфаизлучения происходит образование ядер Li-7 и B-11 с выбросом
«лишнего» протона.
Следует также отметить, что месторождения соединений лития
и бора залегают в тех же гранитных породах, что и руды
радиоактивных элементов урана и тория и имеют сходные по
порядку величин концентрации.
Отвлечемся немного от процессов в земной коре и скажем
несколько слов в подтверждение реальности существования
вышеуказанных частиц, ответственных за реакцию холодного
ядерного синтеза.
В ядрах звезд на поздних стадиях эволюции при температурах
свыше 10+8K происходят так называемые гелиевые реакции с
образованием углерода C-12 в конечном итоге. В качестве
промежуточного неустойчивого ядра служит ядро Be-8, которое
очень быстро распадается вновь на два ядра He-4. Эта
эндоэнергетическая или «пороговая» реакция. Для ее протекания
необходимо, чтобы кинетическая энергия частиц превышала
Эта
реакция
некоторую
величину
(порог
реакции).
кратковременного слияния двух ядер He-4 идет с поглощением
энергии равной 92 кэв. В случае равенства масс сталкивающихся
частиц, кинетическая энергия частиц, необходимая для протекания
реакции, равна удвоенной энергии, поглощаемой во время реакции,
так как часть (в данном случае половина) кинетической энергии,
связанной с движением центра масс, остается бесполезной для
ядерной реакции.
Таким образом, суммарная кинетическая энергия двух ядер He-4
равна 184 кэв или 0,36 массы электрона, что точно соответствует
энергии вышеуказанных частиц. То есть, сближение ядер гелия с
образованием виртуального ядра Be-8 при прохождении гелиевых
реакций происходит в поле данных частиц.[4]
167
Физика и астрономия
Однако, как видно на примере синтеза дейтерия, ядерные
реакции в условиях высоких температур и при холодном синтезе
идут по разным схемам и, при слиянии двух «холодных» ядер гелия
образуется изотоп Li-7 с выбросом одного протона, а при слиянии
трех «холодных» ядер гелия – изотоп B-11, а не углерод.
3. Метеориты.
Химический состав каменных метеоритов (хондритов) по
распространенности элементов в целом напоминает состав земной
коры. В них также отмечается повышенное (по сравнению с
космосом) содержание лития и бора и низкое содержание или
отсутствие (особенно в хондритах с повышенным содержанием
железа) летучих элементов (водород, гелий).
О хондритах следует сказать подробнее. К ним принадлежит
более 90% каменных метеоритов. Свое название они получили от
округлых зерен- хондр, из которых они состоят. Хондры имеют
различные размеры: от микроскопических до сантиметровых, на их
долю приходится до 50% объема метеорита. Остальное вещество
(межхондровое) не отличается по составу от вещества хондр.
Происхождение хондр не выяснено до сих пор. В земных
минералах они никогда не встречаются. Другой класс каменных
метеоритов- ахондриты отличаются отсутствием хондр, малым
содержанием железа и близких к нему элементов(Ni,Co,Cr). [5]
Недавние экспериментальные исследования ирландских
ученных [ 8 ] показали, что быстрый нагрев метеоритных пород
жестким излучением (порядка 100 кэв) с последующим
охлаждением, приводит к образованию структур подобным
хондрам. Была выдвинута гипотеза, что хондриты образовались под
действием мощного удаленного (~300 св. лет) источника гаммаизлучения в начале формирования Солнечной системы. Однако,
последние исследования показали, что возраст хондр значительно
меньше чем возраст Солнечной системы. [ 7 ]
Все вышесказанное дает возможность предположить что,
хондры образовывались в моменты столкновений метеорных тел
между собой. В центре хондр, как правило, находятся субмикронные
вкрапления самородного железа. Удельная энергия атомов железа
при высоких скоростях метеоритов составляет десятки элекронвольт
на атом.
При столкновении тел частицы (184 кэв) отрываются от ядер
атомов железа, и приходя в свободное движение воздействуют на
окружающую породу (оливин) подобно жесткому излучению в
168
Доклады независимых авторов
2008 выпуск 9
опытах ирландцев. В ахондритах, не содержащих железа, такого не
происходит.
Отдельно следует сказать про обнаруженные недавно
особенности изотопного состава метеоритов, отличающегося от
изотопного состава вещества Солнечной системы. К ним относятся:
1. Изотопный состав многих элементов (Xe,Ag,Ne и т.д.)
сильно отличается от земного и включает короткоживущие
изотопы, которые должны были давно исчезнуть с момента
возникновения Солнечной системы.
2. В метеоритах, содержащих водород, отмечено в десятки раз
большее, по сравнению с землей, содержание дейтерия. Причем,
эти концентрации носят локальный характер и сосредоточены в
участках, содержащих сложные (сотни атомов) органические
молекулы (полициклические
ароматические углеводороды),
включающие C,H,N,O то есть, в местах повышенной плотности
содержания атомов водорода. Кроме того, отмечено повышенное
содержание изотопа углерода C-13 и, напротив, значительно более
низкое, по сравнению с земным, содержание тяжелых изотопов
(обогащенных нейтронами) O-17, O-18 и N-15. [ 6 ]
3. В метеоритах, содержащих гелий и в лунном реголите
отмечено высокое (на несколько порядков выше по сравнению с
землей) содержание изотопа He-3.
Все перечисленные изотопные аномалии пытаются объяснить
тем, что часть метеоритного вещества занесена из далекого космоса
и имеет несолнечное происхождение. Однако их также можно
объяснить в рамках той же гипотезы холодной трансмутации ядер
и синтеза легких элементов, возникающих в момент ударного
воздействия при столкновении метеорных тел между собой и с
землей.
В частности, в случае сложных органических соединений,
протоны (ядра атомов водорода) бомбардируют ядра атомов
углерода и, проникая в них (с помощью вышеупомянутых частиц)
увеличивают долю изотопа C-13 (после бета-распада, как в реакциях
углеродного цикла). В то же время тяжелые изотопы кислорода и
азота теряют нейтроны, которые, объединяясь с протонами
водорода, образуют дейтерий.
Повышенное
содержание в метеоритах и лунном
поверхностном грунте изотопа He-3 также может быть вызвано
холодным синтезом (при соударении) первичного дейтерия,
169
Физика и астрономия
существовавшего изначально в солнечном веществе с образованием
и последующим распадом трития.
Подобными столкновениями метеоритов или астероидов в
Солнечной системе могут быть вызваны и некоторые из гаммавсплесков (с соответствующим спектром и временем),
приписываемых удаленным внегалактическим объектам.
В заключение можно сказать, что, по-видимому, ударный
механизм реакций холодного ядерного синтеза действительно имеет
место, что подтверждается изотопным химическим составом
метеоритов. Это означает, что при определенном составе вещества
сталкивающегося тела и оптимальной концентрации легких
изотопов, участвующих в синтезе, в момент столкновения может
выделиться значительная энергия.
Литература
1. Спектр масс элементарных частиц, связь микро и макро
масштабов, соотношение космических энергий. Сайт Sciteclibrary. Сентябрь, 2005г.
2. Энергетически выгодный холодный ядерный синтез.
Возможно ли это? Сайт Sciteclibrary.Март, 2007г.
3. О проявлении реакции холодного ядерного синтеза в
различных средах. Сайт Sciteclibrary.Декабрь, 2007г.
4. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. «Советская
энциклопедия» Москва. 1986г. с.209,402,517.
5. В.А.Бронштэн. Метеоры, метеориты, метеороиды. Москва.
«Наука» 1987г. c.34,35
6. Ю.А.Шуколюков. Звездная пыль в руках. Соросовский
образовательный журнал. N 7 1996г. с.74-80.
7. Chondrules younger than thought. United Press International.
Gamma-ray bursts and X-ray melting of material as a potential
source of chondrules and
170