用核机理解释E-CAT热量生成(对罗西效应解释)
2015-04-10 14:05:48 来源:冷聚变世界独家翻译 评论:0 点击:
本文是罗西和日本东北大学冷聚变学者Cook 联合撰写的一篇冷核聚变机理的文章,文章在传统核理论的框架下对冷聚变反应的发生进行了探讨。
用核机理解释E-CAT热量生成
Norman D. Cook 1 and Andrea Rossi 2
1. Department of Informatics, Kansai University, Osaka, 1095-569, Japan
2. Leonardo Corporation, Miami Beach, Florida, 33139, USA
1. Department of Informatics, Kansai University, Osaka, 1095-569, Japan
2. Leonardo Corporation, Miami Beach, Florida, 33139, USA
我们对核机理讨论发现,E-CAT内部同位素的丰度是产生多余热量的主要原因。我们认为,能量的主要来源是7Li4(锂的同位素)的第一激发态和一个质子反应生成8Be4(铍的同位素),8Be4 分裂成两个阿尔法粒子所产生的高动能不会以伽玛辐射的形式出现。同位素7Li4所具有的不寻常特性使得这一反应相似于穆斯堡尔效应(参看相关解释):稳定的奇Z核/或奇N核具有异常低的激发态。我们运用核理论的独立粒子模型(IPM)的晶格版来说明同位素的几何结构所预测的核反应为什么没有在独立粒子模型(IPM)的普通版里呈现。最后,我们所推测的相似机理还可能涉及其它低能量核反应(LENR)。
PACS numbers: 21. Nuclear structure 27.40.+z Properties of specific nuclei 1
1引言
低能量核反应(LENR)曲折的研究历史充满了争议性,这包括所宣称的镍和钯两个系统实验的成功和失败。结果和理论模型过于多样化使得很难得出明确的结论,Storms [1, 2]总结了压倒性的共识,即实验装置所获得核效应通过传统理论解释却并没有核反应的发生。进一步的证实将是今后工作的重点,剩下的理论任务是要证明已公布的热量生成和同位素嬗变数据如何与上个世纪建立起来的核物理体系保持一致。
在最近一次为期一个月的E-CAT(安德烈. 罗西的发明)测试中检测出了大量多余的热量(输出/输入能量超过3.0的比率)[3]。这对于复制材料和发现规律的技术探索已经足够了(例如,Parkhomov[4] 俄罗斯科学家复制罗西E-CAT),在过去26年中,大量不同条件的冷聚变实验文献认为低能量核反应(LENR)的通用机理可能有待确定。尽管确定核活性环境(NAE)的固态,化学和电磁场特性已经取得了进展,NAE的核方面特性还没有提及。这里我们认为,如果能够提供一个合适的埃米级环境,飞米级的低能量核反应(LENR)可能在低激发态的同位素里产生。
在本研究中,我们根据晶格版的独立粒子模型(IPM )[5]来集中讨论同位素锂 [3]的核嬗变。具体而言,在回顾公认的IPM后我们会对7Li42和8Be4同位素的子结构进行详细介绍,7Li42和8Be4反应生成阿尔法粒子的动能远远超过了化学反应所产生的能量。
2方法
2.1理论:原子核独立粒子结构
在过去超过六十年里,人们已经知道许多核特性可以通过对质子和中子成分进行简单总结描述。在20世纪30年代,这一理论观点被尼尔斯·玻尔所否定,他更青青睐于“集体”的核子观,50年代初自旋轨道耦合壳模型的假设被证明是巨大的理论成功,它将“独立粒子”方法作为核结构理论的核心模式。
最重要的是,IPM描述的核状态可以合理的解释实验中观测到的自旋和宇称(Jπ)(更进一步说是磁矩µ),这是对未配对质子和中子的jπ 和µ最简单总结。随后,基态自旋和宇称的2800多种相对稳定的核同位素以及将近50万种激发态的同位素通过IPM被归类出来,参看Firestone同位素表格(1996)[6]。可以说IPM是如此的成功,它使得许多核物理学家得出结论:由于与目前建立起来的核物理理论定律不一致,他们认为LENR现象不可能是真的。如下所述,我们发现IPM提供的理论框架是解释E-CAT内部发生的核嬗变必不可少的要素。
开发早期的IPM数学模型由Eugene Wigner [7]于上世纪30年代承担。由于壳模型的出现[8],IPM直到50年代才在核结构模型中占主导地位。事实上,维格纳和壳模型的发明者分享了1963年的诺贝尔物理学奖,他们两人见解的结合让核结构理论有了一个合理的量子力学基础。壳模型大胆假设量子数L和S之间的耦合产生一个可观察到的总的角动量,J(= L + S)。固有的假设是非常不现实的概念,即“点”核子“轨道”自由的存在于核内部,(第一近似值)在核势阱内它不会与其他核子轨道交互。同样的假设在早期的费米气体核模型中也被提出,但最终由于液滴模型(LDM)理论对核结合能,半径,裂变现象,等等的现象成功的解释而遭抛弃。液滴模型(LDM)反过来说是基于对核内部现实的假设:质子和中子的静电与磁均方根半径为约0.85 FM [9],一个原子核的密度为0.17核子/ FM3(意味着邻核子间距离为2.0FM)和非绕转核子 – 所有的假设都和和气体弥漫相违背,和致密的核液体一致。
气相IPM和液相LDM之间的内在矛盾被总结大多数核教科书里,20世纪70年代,一个有趣的结合这两个竞争的模型首次被提出来,这个模型是以原子核的晶格形式出现。其历史在参考文献[5]中讨论。晶格模型(一个“冷冻液滴”)拥有最传统的LDM的特性,当原子核被四个核子围绕组成中心四面体时,格子则显示重现正确顺序和占用所有n-shell呈现三轴对称(球形)格子结构壳模型特性. 除此以外,壳模型中的J-亚壳层呈现出圆柱形结构,壳模型中的m-亚壳层则呈现锥形的子结构 –所有这些相同顺序和占用量的中子和质子都来自于传统的IPM.
虽然各种壳和晶格模型之间的数学定义经常被刊登在物理学文献中,但晶格模型本身被视为对称型壳模型的“幸运”再现,总体来讲它对核物理理论影响不大。然而事实上,基于不同的点和空间占据而对原子核自身结构的假设,晶格IPM和气相IPM都可以重现观察到自旋和宇称(Jπ)值。在这里我们将晶格IPM作为气相IPM的现实替代详细阐述对相关LENR现象的解释。
晶格模型的量子特性由方程(1-6)定义,并在图1中说明。相关理论上的争议自上世纪70年代以来陆续发表,网上有详细的介绍[5]。
“量子几何”的意义(方程1-6)(图1)可以简单地表示为:晶格内的每个唯一的格点对应一个核量子数。其数量和传统的IPM所产生的一样。相反,知道个别核子的量子特性,它们在晶格中的位置(笛卡尔坐标)可以计算出来,如图方程(7-9)。
图1:在IPM表示的晶格内核量子数的几何结构
图2:15Ni8的8中子和7个质子的IPM量子态(左边圆箭头)和它们的晶格位置(右)可以由方程(1-6)确定。未配对的质子负责预测IPM的自旋/宇称和磁矩; 第二n-shell内独立且未填充的质子位(-1,-1,-3被标记成一个点。
图3:15Ni8 的低能量激发态以及相对应的晶格结构。每一个晶格结构都是一系列质子和中子独一无二的位置的集合,层次图上展现jπ值是实验测量jπ值总结。
表1:E-CAT测试过程中开始和结束时的元素嬗变
理论上,锂同位素改变可能是三种不同的机理的结果:(ⅰ)重新生成6Li3(导致在这种同位素相对增加)(ⅱ)通过对6Li3和/或7Li4增加/除去一个中子产生的嬗变(分别导致相对增加和减少),或(iii)从头破坏7Li4的(导致这种同位素相对减少)。
重新生成6Li3(i)问题最大,因为这意味着质子和中子的顺序增加,这种类型的低能量机理还不清楚,6Li3嬗变成7Li4 (ii) 或者反之需要增加或者除去一个中子,然而在实验装置内并没有检测到自由中子,因此这种类型的核机理也不明确。
破坏7Li4相比较来是理论上是可行的,只要增加一个质子7Li4就会嬗变成8Be4,8Be4则会衰变成两个阿尔法粒子并释放出巨大动能并使7Li4减少。
我们将能量机理的话题放一边,在对7Li4添加一个质子所造成的损耗过程中不产生伽玛辐射理论上是可能的。换句话说,8Be4衰变成两个阿尔法粒子并不会产生伽玛辐射。假设我们能有力的证明一个质子可以进入到锂的同位素内,那么证明形成8Be4 并释放出两个高能阿尔法粒子也没有问题。很显然,大量的这种反应会导致4种可观察到的效应:(i)7Li4完全减少(ⅱ)6Li3相对增加,(ⅲ)生成阿尔法粒子,(iv)由于阿尔法粒子的相互排斥性而产生巨大能量。
2.3 使用晶格IMP 来解释LENR
IPM精确的定义了激发态的特性(如图3所示15Ni8 平面图),传统飞米气态核结构很明确否定了核的亚结构(超出则以核势阱的变形来定义)。
相反,晶格表示的IPM可以同样精确的预测出相关核的量子特性(方程1-6),晶格结构也可以用于确定核的“立体化学”结构。换句话说,每一个基态和激发态都具有唯一的相对应的晶格结构,IPM的晶格版可以为各种核反应提供候选结构。如果E-CAT内部的高温,高压条件允许氢原子核克服库仑势垒接近锂原子核,则锂核本身可以被提升到低激发态。在适当的固体环境下,氢核和锂核之间反应将伴随着某种特定类型的低能量核反应(LENR),这主要取决于锂同位素具体的亚结构态。
3结果
3.1锂的嬗变
锂的两种稳定同位素6Li3和7Li4,就他们的粒子组成(Table 2)来说IPM给予了完善的定义。如果给出围绕着4He2 核的原子核IPM特性,其晶格版本IPM的结构也是非常清晰的。
表2:锂的同位素的子结构。通常IPM所描述的同位素特性和实验所检测出的很接近(自旋/宇称匹配经验值和磁矩经验值在20%以内)。
也就是说,这些原子核的自旋/宇称和磁矩都可以理解为4He2核加上一些额外核子所具有的特性总和。对于6Li3 ,最后一个成对质子自旋(J = 1 / 2)和最后一个未成对的中子(J = 3 / 2)相结合形成一个J=1+ 核。相比之下,来自于同位素7Li4 壳内的两个中子的旋转特性互相抵消掉了,同位素7Li4 所具有的特性主要取决于那个未配对的j=3/2-质子。
之前我们已经提出,E-CAT所产生的大量能量可能是由锂反应的结果。我们假定能量是由7Li4 和一个质子反应产生并生成了8Be4 ,8Be4 立即分裂成两个阿尔法粒子。阿尔法粒子的释放伴随着巨大的动能,并没有伽玛射线。我们须重申该反应的热力学还不是很确定。另一方,我们知道有一种7Li4 消耗方式,在许多经典LENR体系里用锂作电极生成4He2 粒子。此外,在卢加诺的测试中并没有发现阿尔法粒子,也没有检测到任何的伽玛射线。我们怎么能够说7Li4 结构和7Li4+ p→8Be4 →2 alpha反应有关联呢?
同位素7Li4 的基态晶格结构如图4所示(左边),但这并没有足够的依据来解释7Li4+ p → 2 alphas的反应。如图4(右边)所示,在7Li4 的基态表面有四个很强的结合质子(他们是激发态8Be4 的可能选择),在这四个位置连接质子并不能生成一个包含两个阿尔法四面体的8Be4 结构态。因此,如果一个质子被添加如图4所示的7Li4 的基态上,新形成的8Be4 同位素需要重新调整核子位置,这在释放出阿尔法粒子前必然释放出伽玛射线。在E-CAT内部并没有检测到强烈的伽玛射线辐射(超过1.0 MeV),这显示基态的7Li4 (图4)可能并不是相关反应的起始点。晶格IPM是否可以可以提供一些见解呢?
图4:(左边)同位素7Li4 的基态。 在几十个可能理论中,最后两个未配对中子的晶格位置和未配对质子(如图所示)可以提供Jπ值为3/2-,这个和实验相一致。镜像异构体结构态有同样的特性。(右图)同位素7Li4 的基态和四个允许添加质子的晶格位置[(A) 1, -3, 1; (B) -3, -3, 1; (C) -1, 3, 1; and (D) -1, -1, -3],这四个位置产生紧凑的结构,3和4离7Li4 核最近,但他们都不生成两个明显预成型的阿尔法四边形。
相反,当考虑到激发态位型时晶格IPM会为我们提供线索。同位素7Li4 不寻常的低激发态值是0.477MeV(Jπ = 1/2-). 如果7Li4 的第三个质子位置低于质子,那么具有这种特性的同位素7Li4 在晶格IPM里被建立起来(晶格坐标: -1, -1, -3) (图5A)。当第四个质子被加入到相邻的低能量位质子(晶格坐标: -3, -3, -3) (图 5B),新形成的同位素8Be4 将会有2+个Jπ值,这将包含两个明显的阿尔法四面体(图 5C),由实验验证所知,8Be4 的第一激发态的Jπ值是2+,它会衰变成两个阿尔法粒子,且并不会产生伽玛辐射(图5D)。
图5:最低激发态的7Li4 (A)拥有晶格结构,加入一个质子便可以产生两个四边形结构从而生成同位素8Be4 (B)。双阿尔法晶格晶格结构(C)可以破裂成两个独立的阿尔法粒子(D),从而释放出17 MeV角动量,并且没有伽玛辐射生成。
图5B所示结构最让我们感到有趣的是8Be4 位形是由7Li4 所形成的,那里有一个未配对,自旋加快的j=1/2-质子。通过加入一个自旋减慢的j=5/2-的质子就形成了8Be4 ,两个奇质子总计的Jπ值为2+。8Be4 有三个明显的态(一个基态Jπ=0+,两个激发态Jπ=2+) Jπ值为2+同位素8Be4 则非常具有意义。所有这三个衰减成两个阿尔法粒子后都不会产生伽玛辐射。换句话说,晶格型的IPM并不像气相版的IPM那样,它可以预测由两个阿尔法粒子直接来自于一个J值为1/2-第一激发态(0.478MeV)的7Li4 , 却不会伴随着伽玛辐射。
两个稳定的锂同位素表明大部分同位素的激发态能量大于2MeV。6Li3 (Jπ=1+)的最低激发态能量在2.186 MeV,而7Li4 (Jπ=3/2-)则比较适度低于0.478 MeV. 我们认为特别是在奇质量数同位素(odd-A isotopes)的存在下,使得他们更易于吸收一个质子从而发生构型改变。必须说明的是7Li4+ p→ 8Be4 反应还缺乏充分合理的解释。但如果该反应是可能的,这些核能态几何将会变很有意义。
3.2镍原子的嬗变
对于镍原子的嬗变,在镍氢系统中最明显的反应机理由方程11-15列出。他们都牵涉到对一个稳定的镍的同位素增加一个质子。如果所有五个反应都发生了, 实际结果则会是几个β+衰变和一小部分在沉积在E-CAT燃烧灰分中的稳定同位素:59Co32, 63Cu34, 和65Cu36 。在最近的实验报道中[3, 4],没有发现钴和铜的同位素的显著聚集,这显示反应(11), (14) 和(15)并没有发生也就是说所有镍的同位素发生嬗变容易程度并不均衡。
此外,除了58Ni30 吸收一个阿尔法粒子直接导致62Ni34(58Ni30+ α→ 62Zn32→ 61Cu33→ 62Ni34)的增加是室外,反应后稳定同位素62Zn34, 64Zn36, and 66Zn38 缺失也显示阿尔法粒子(由氢和锂反应的释放出来)并没有被60Ni32and 62Ni34 吸收。62Ni34 显著增加必须使用不同的机理去解释,但这并不意味着嬗变没有直接的经验证据。
让我们再次忽略能量机理的细节,62Ni34丰度增加的最大可能性就是反应(13)。反应(13)使得 61Ni33 直接吸收一个质子(机理不明)而生成了62Cu33(9.7 min),62Cu33 是62Ni34 衰变的结果。我们对此产生的疑问是前驱体元素61Ni33 只有很小的丰度,它只占所有镍同位素的1.14%。对于灰分中丰度最大的62Ni34 和其他同位素的缺失我们会用抽样的方法来解释。飞行时间二次离子质谱仪(ToF-SIMS)抽取毫克级样品检测,通过电子显微镜观测到的区域可能发生了形态改变,很有可能62Ni34 同位素向外跳到了镍颗粒的表面。如果样品本身并不能代表E-CAT内部残留的镍,大丰度的62Ni34 可能表示只有61Ni33 参与了反应,62Ni34 则转移到同位素分析样品所在的位置,这个我们需要更多的实验研究来澄清。
在卢加诺测试E-CAT,其运行温度使氢化铝锂的锂元素变成了蒸汽,因此锂元素会均匀分布在E-CAT反应器内腔内。相比之下,镍燃料则呈现为固态或者是液态。样品在运行过一个月后, 镍在反应器的内表面形成了一层硬壳,两毫克的灰分样品位于填料的中间位置。实验的起始原料大约为1克,不能说2毫克燃烧灰分可以代表整个镍填充燃料,但62Ni34在2毫克样品中占大多数还有待解释。
超低激发态的同位素在低能量核反应(LENR)研究中非常让人感兴趣,由于它能在最低的外部输入情况下通过量子跃迁将一个原子核态转变另外一个。在这点上,元素周期表中具有最低激发态的同位素是61Ni33 (a J=5/2+ state at 0.0674 MeV),它似乎能在低级别的热搅动下释放出能量。这个激发的能量和表格上偶数对的镍的同位素形成鲜明对比,后者需要的激发能量(>1.3 MeV) 比前者高20~40倍。
事实上,在元素周期表上有几个相对较小激发态的稳定同位素,他们是103Rh58 (J=7/2, 0.0397 MeV) and 105Pd59 (J=3/2, 0.280 MeV),他们两个都被用于早期的低能量核反应研究(LENR).值得注意是他们在自然界的丰度都非常的小。特别是103Rh58 在地壳中的含量只有0.001毫克/公斤,105Pd59 为0.0033毫克/公斤,而61Ni33 的丰度为0.9576毫克/公斤。这些相对的丰度意味着如果将它们应用到低能量核反应研究中,铑和钯相比镍要贵1000倍和300倍。
如上所述,涉及低激发态的核反应是可以推测出来的,只要一个稳定的原子核能够在不到“热融合”的温度下吸收一个质子就会引发“冷聚变”反应。问题是是否有一个强有力的机理能引发兆瓦电子伏级的核反应。在这种情况下,释放17 MeV阿尔法粒子且相对低能量7Li4+ P反应具有相当大的吸引力。
4讨论
镍-氢化铝锂所组成的E-CAT是十几个通过实验展示产生多余热量的低能量核反应(LENR)系统之一。并且它是唯一一个使用相对低廉材料稳定产生大量热量的系统。它的主要能量来源于7Li4的(p, α)ɑ反应,最近报道的核嬗变[3]强烈暗示了两种明显不同的低能量核反应LENR,它们都很难用传统的核理论来解释。具体而言,E-CAT内部两个最有可能反应是让原子核吸收一个稳定的奇质量数的同位素。碰巧的是7Li4 和 61Ni33 是稳定J=3/2-低激发态(<0.5MeV)同位素,这暗示了意料之外的低能量核反应(LENR)现象可能是易激发稳定同位素的子结构所产生的结果。依据核子在IPM中的量子态具有明确的晶格结构可以预测出原子核的Jπ值和磁矩,因此我们认为很有必要研究很大程度被忽略的LENR方面的原子核结构。反过来说,与诱导核反应效应的固体环境和周围电磁场同样重要的是核反应本身只集中出现在特定的同位素里并牵涉到少数几种量子跃迁。如果激发一个稳定的原子核到低激发态是LENR现象必要的前提条件,并且假定只有必要的质子/氘成分可以和高活性的低激发态基底原子核充分接触,那么LENR效应发生在不同的固体化学环境下就不那么让人惊奇了。
4.1 众多的冷聚变理论
许多以量子理论为基础的假设宣称可以解释冷聚变现象,Gullstroem [12]提出一种中子交换机制来解释E-CAT内部的核嬗变效应。Muelenberg [13] 和 Muelenberg 及Sinha [14]提出了局部带电玻色子模型作为一种克服质子,氘以及其他原子核斥力的方法。之前,Ikegami以及其他人 [15-21]提出锂可以产生一个粒子(接着是中子吸收或者氘核剥离),虽然定量的结果和其在特定实验条件中的意义有待我们去获取,但这些理论工作最终为冷聚变现象提供有力辩解。
4.2一个共同的主题
所有低能量核反应(LENR)具有的共性是核反应的无法预料性,而这些无法预料的特性被传统的核物理学家一直归类于不可能。我们确实要对原子物理学的“中心法则”提出一些质疑。
中子←→质子→电子他们之间的转化基本上是正确的,原子核对于核外的核反应影响很大,反过来则不会,这主要是由于电子的跃迁发生在几个电子伏的级别上,而核跃迁通常发生在几百万电子伏。当然,最近所报道的低能量核反应(LENR)非常清楚的显示存在一个条件,在这个条件下核反应可以在相对低的条件在化学系统内被引发。
我们更应该需要注意到,著名的穆斯堡尔效应也有违反中心法则,而中心法则已经是比较完善的核物理学。就像沃特海姆在1960年指出的[22]:
核物理学家很大程度倾向于忽略他们所研究的原子核的化学键。这是基于一个非常稳固的信条,那就是核反应牵涉到的能量比化学键要大的多,因此分析核事件的时候他们把原子作为一个自由的原子考虑。
这种信条和穆斯堡尔效应相抵触并直接导致了原子物理学的中心法则的适当扩张, 这种扩张包括牵涉电子效应的低能量固态现象对核效应产生影响:中子←→质子←→电子
二十世纪末和二十一世纪初的冷聚变物理学(也称为低能量核反应 LENR)现象也可以在相似的能量环境下发生。
即使如此,E-CAT以及其他冷聚变系统内天然同位素丰度的改变也很清楚的显示核反应的发生。对这种反应的解释需要和核结构理论保持一致,澄清这其中的机理毫无疑问需要在LENR系统内对低能量的伽玛辐射进行测量以此清晰的确定参与反应同位素的核和核的量子态。
参考文献:
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冷聚变世界
2015年4月10日
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