低能核反应(LENR)的一种解释 — 张武寿译
2018-01-07 12:02:37   来源:冷聚变世界   评论:0 点击:

本文译自E Storms: “An Explanation of Low-energy Nuclear Reactions (Cold Fusion)”, J Condensed Matter Nucl Sci 9 (2012) 86–107。文章由中科院化学所研究员张武寿老师翻译,是一篇了解冷聚变不可多得的文章。感谢张武寿老师提供资料!
切记需要甄别热聚变引发的行为并且不能用于解释LENR。因为热聚变与LENR可以出现在相同的材料中并且有时同时发生,所以需要区分这两个独立反应的结果。已知形成裂缝可引发含氘材料中的核反应。该过程就是断裂聚变[42–45],在裂缝中产生短暂的高电压可引起热聚变过程并产生预期高能核产物,所产生的中子也是猝发式的,所以在把中子归因于LENR前必须仔细评估。另一个潜在的热聚变例子是用携能氘粒子轰击固体材料[46–48]。当施加能量低的时候,热聚变类型反应易受材料中电子浓度的影响,但这不是LENR的情况,因为反应产物是高能粒子并与传统热聚变而非LENR的期望值一样[5]。必须维持LENR与热聚变起因的明确区别,因为二者显然有完全不同的运行机理。

  在创立理论过程中人们应用两个非常不同的假设。一个是假设在普通晶格内部或表面可自发产生核反应,原因只是设想的机理通常在氘浓度达到一个临界值后开始起作用。另一个方法——此处尤其支持的——是假设显著的且可观测的变化必须发生在LENR出现以前,并且这导致一种新的环境,核反应在其中发生。这个独特的环境避免了矛盾的出现,即已知普通材料的行为与罕见的、局域的行为之间表现出的矛盾[6]

  普通材料不能成为LENR的发生位置,因为化学系统的行为是已知的,并可用多种不同的方法考察。原子排列成特有的晶格结构而组成了材料,其形式由电子—原子的关联能量和晶体经历的热能决定。除非改变结构,这些能量不会变化。如果能量增加足够多,将会引起熔化[7]。在一个稳定的化学系统中,除非外加能量或改变条件使当前结构不稳定,电子也不会以任何可观测的方式从一个能级自发移动到另一能级。如果发生这种变化,它通常对应着吉布斯能的降低[8]。因此,任何基于自发变化引发核反应的理论必须同时说明为什么吉布斯能会降低。此外,原子作为集合而运动,任何局域变化都会与晶体内的所有部分以众所周知的的速率交流。热力学定律就是描述这些集合行为的。金属诸如钯、镍,复合物如PdD在通常使用条件下都是稳定的化学系统。即使因为未预料到的内能释放而发生自发变化,其已知的有限数值也不能引发核反应[9]。该认识是如此基本,如果没有明确说明和展示的原因,则不能视而不见。事实上,能量在材料中的作用是如此重要并如此透彻理解,以至于基于量子力学或假设的各种能量增益过程必须与这些行为相一致。

  设想的理论必须满足如下要求:

  (1)在纯的b相PdD中不产生LENR,相反,LENR要求先形成独特的条件(即NAE)后才能出现。即使不考虑该条件,高氘(氢)浓度也不是唯一要求。

  (2)导致核相互作用的机理只能出现在NAE中并必然与NAE性质相关联。

  (3)该NAE—机理组合必须与已知的材料行为、热力学定律以及控制核反应的基本原则相自洽。

  (4)该NAE—机理组合必须能解释观测到所有的LENR产物,包括聚变、嬗变与辐射源等结果。

  (5)该解释必须自然地说明LENR如何发生,能量如何耗散而不产生明显的辐射。
 

  2.3. 已发表的解释

  迄今为止,我们可以接受哪些基本要求呢?尽管答案是不完全的,一些可以暂时接受并用于评估提出的机理。有希望的是,该评估过程将使上述要求变得更容易理解。
人们已提出有数百种理论试图解释LENR,但没有一种理论可以成功地使LENR更好地重复并容易维持,也没有一个理论在一个小圈子外获得承认。尽管如此,下面还是要用上述方法探讨一些已经发表的理论事例,用上述要求理解其局限性。我们不去描述每个理论,而是在几个模型上应用总原则以显示如何评估相同的思想。
 

  2.3.1.金属原子空位的作用

  Hagelstein与Chaudhary [49]提出钯子晶格中的空位(即失去了Pd原子)可成为NAE的位置。该方法基于如下三个假设:(1)PdD中有足够多的金属原子空位,(2)两个以上的氘核可以进入PdD晶格中的这种位点,(3)只要氘核进入即能聚变形成氦。这三个假设中任何一个失效都会导致模型失败。我们开始分别检查每个假设。

  Flanagan等[50]报道在473至573 K间加热可消除钯中冷加工引入的原子空位,即已知产生LENR的温度可消除这些空位。如果PdD中的金属原子空位数量很大,Pd-D的相边界上限就超过D/Dd = 1。McKubre与Tanzella [51]在室温下用电阻法确定这个边界,他们发现电阻随D/Pd变化的斜率中断处十分接近1,即在更高组分形成两相区,而b相是不连续的。Norlander等人[52]基于计算得出结论,一个Pd空位可以容纳多达6个D。但即使达到这个数目,氘核也不可能接近到足以发生聚变。一个地方发生反应需要聚集的原子愈多,其发生的可能性就愈低。因此,反应率会很小并且对施加的D2气压非常敏感。而冷聚变未显示出大的压力效应,当然这个变量也需要进一步仔细研究。如果发生聚变,不得不用另一组假设来解释辐射的缺乏。因此,对上述要求1、4、5 的违反使我们不看好这个理论。
 

  2.3.2. 中子作用

  很明显,如果中子涉及核机理那么库仑势垒就不再是问题。因此有好几个人提出潜在反应性的中子源。设想在材料中开始就存在稳定的中子团簇[53]或某些机理在稳定条件下产生稳定的多中子态[54]。但没有直接证据表明在普通材料中存在或产生受限制的中子——不管作为团簇还是多中子态。事实上,如果有足够多的中子出现并可支持偶尔观察到的高反应率,那么它们的存在本身即由于这种仓储的密度效应而变得可明显观测,事实上并非如此。同样,在化学纯化以后这些中子或多中子如何停留在钯或任何材料中需要利用难以置信的假设。尽管少数观测结果与可能的多中子引起的稀少且低水平的核过程结果一致[55],该解释仍违反NAE及上述第4、5条要求。

  此外,有人提出电子与质子或氘聚变成中子[56–61],这要求反应的时空内有0.76 MeV的能量。因为这个LENR解释获得广泛的重视,所以需要全面了解。这个设想是有欠缺的,因为它假设在化学环境中的某一位置上集中足够高的能量形成中子。在众所周知的限制之外[10],能量是真实且不能自发聚积的基本量。如果如此大的能量可以集中在一个电子或靶核上,它只能从平均能量远低于0.1 eV的环境中捕获。于是,能包将自发寻找并添加到单个电子上,能量必须在此聚集。这种存储过程如何完成呢?电子是不能存储能量的基本粒子。如果可以,它的静止质量就不会是常数并且电视机根本无法工作。也许能量可以在另外的过程中存储起来。已知通过加速到接近光速的办法可以把足够的能量加到粒子上并使其质量增加。电子以如此的速度和这种方式在充满电子与核的晶格内移动似乎是难以置信的[11]。因此,这要求我们想象一个电子在收集环境能量场中的能量时能以接近光速通过原子集合且在遇到一个氢核以前不损失能量。称它为弱相互作用[12],引入等离激元概念[13],或提出超重电子[14]都无法使人了解该过程实际上如何发生。除非可以显示这个过程真实存在,而不仅仅是可能的假设,对于LENR而言中子的形成不是一个有说服力的解释。事实上,当利用带有足够能量的电子轰击含p或D靶时,只有非常少的情况下可以测到中子 [62]。此外,如果这样的能量可以集中在一个电子上,应该早在电子反应形成中子之前就观测到化学效应了。[15]进一步说,如果某种源能产生中子,应该观察到正常的中子b辐射以及中子与各种核反应生成的g射线,但实际上未测到。此外,各种核产物也不能仅仅用中子相互作用来解释,因为这种作用要产生新同位素而非新元素。新同位素要在随后的放射性衰变中产生观测到的元素,但实际上未测到。因此,虽然该机理获得一些关注,但它既无法与LENR的行为也无法与传统科学一致。这种解释也不满足NAE及第3—5条要求。
另一方面,许多人推测如果电子可以靠核足够近而形成他们所谓的“虚中子”。在这种情况下,电子可为质子或氘核进入某个核提供足够的屏蔽而不需要完成不可能的任务——创造一个实中子。Mills [63]为电子靠近核提供了一个理论基础,即形成所谓的Hydrino。Dufour等[64,65]提出一个叫做Hydrex的结构,在这里许多电子和光子聚集在一起形成稳定的集合,它可以降低库仑势垒。形成里德堡原子或玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)结构可以视为这种方法的改进版。这种专注于准中子类结构的改进似乎是值得探索的。这种类型的NAE—机理组合要求在LENR中形成这类结构,当然尚未确证,下面将会继续探索。无论如何,该解释违反要求4和5。
 

  2.3.3. 声子作用

  声子是准粒子,用来描述凝聚态中原子或电子间如何相互作用或传送能量。该模型用来描述热能如何散布到整个材料中并转化为材料内原子或局域电子的振动。当声子概念应用到LENR,有人设想这些振动可以导致一些原子相互靠近到核作用(强力)的距离范围[66–69]或引起能量在核内聚集[70]以至于核变得不稳定。在该过程中,人们做了一个基本假设 ——即振动能聚集在一个核上而不影响一般PdD中周围原子间的化学键。这个假设根本上与观测到的声子行为相矛盾,也与能量总是向下运动的要求矛盾。事实上,当核反应出现后核能的释放就是通过能量向下移动而与周围原子交流能量。利用这种假设必须说明为什么能量向上传输时没有引起化学变化,而在核反应开始后能量向下传输机制又起作用了。因此,该解释违反所有要求。
 

  2.3.4. 粒子—波转换的作用

  Chubb叔侄认为氘核在适当条件下可以转化为波[71]。如果这样,它可以与另一束氘核波相互作用而不需要直接涉及库仑势垒。简言之,这个作用形成一束氦波,氦波通过向周围晶格传输小能量量子而缓慢转化为氦粒子。这个模型解决了一些问题,但没有考虑如何产生嬗变产物以及哪些晶格的独特性质有助于粒子—波转换。正如他们自己所提,简单地考虑原子周期点阵是不够的,因为这是所有材料具有的普遍性质。而核反应是稀少的且只局限在某些特殊区域。正像下面描述的,尽管这个方法可以应用于特殊的NAE,仍如这些作者所述,这个概念违反所有的要求。
 

  2.3.5. “奇异”粒子的作用

  有些理论基于一些罕见的粒子,如Erzion [72]、NATTOH [73]、分数电荷粒子[74]、大质量负电荷粒子[75]、电子团簇[76]以及超重核 [54]。即使一些粒子在自然界中明显存在,也没有一种可以解释其如何引起实验观测产率的LENR中的全部行为。切记,产生1 W功率需要每秒产生1012个氦原子,用奇异粒子来解释这些似乎任务太重了。
 

  2.3.6. 隧穿或截面增强作用

  当反应发生但所需能量远低于期望值时该过程称之为“隧穿”。当然,此概念假设该全额期望值在所用条件下精确已知。不用隧穿这种说法,超出预期的高反应率有时描述为截面增强的结果。无论哪种情况,预期的能量或截面需要明确,而不仅仅是为什么需要明显更少的能量。例如,LENR在各种条件下的预期行为都是基于热聚变过程的模型。热聚变型反应率是施加能量的函数,据此计算势垒高度期望值。只有在相同的机理下,把这个势垒高度应用到LENR才是有效的,事实看来远非如此。此外,这些效应违反了要求2—5。虽然Fleischman曾经偏爱该说法[78],包括Preparata [77]等早期理论家们也利用过这个不完全的描述和方法。仍有许多人还在提出相同的设想[79–84]。
所谓游动电子层理论认为具有不同功函数的两种材料间可成为屏蔽电子源[85–87]。设想这些电子可以降低库仑势垒并可解释Miley报道的嬗变现象[88,89]。不幸的是,该理论无视一定数量的质子如何进入样品中已有的原子核内而不放出很少检测到的放射性同位素。Miley等试图通过创造另一个问题来避免该问题[90]。他们的机理涉及包含H和D的大团簇形成的超重核306X126,这个结构然后经历各种裂变反应。他们还利用里德堡类过程[92]设想这个团簇以超高密度氢局域岛[91]的形式存在。但也没有解释为什么这么多氘会在晶格中自发形成违反热力学定律的团簇,以及为什么没有违反第5条要求。
 

  2.3.7. 多体聚变和玻色-爱因斯坦凝聚的作用

  高桥亮人等[93]最早提出多体聚变,他们在实验上从电解池中测到异常能量的同时还测到少量中子的异常能谱,他们据此能谱得出多体聚变的理论。此后用携能D+轰击PdD靶的结果与电解得到的中子能谱一致[94],说明中子确实来自热聚变型反应,正如束靶方法的预期结果。另一方面,岩村康弘等人[95]的结果表明在没有外加能量时存在最多六个氘核同时进入核子的证据,进一步支持了多体反应模型。形成这种团簇[96]可以解决很多问题,最大问题就是可以解决聚变以后没有g射线辐射的动量释放问题。在这种情况下,释放的核能可以在团簇内的几个a粒子和很多未反应的氘核间分配。但是,除非团簇大的不可想象,否则总能测到高能粒子发射[97],事实上不是这样。多体聚变也明显违反要求4和5。

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