5. Преобразование элементов под действием наносекундных электромагнитных импульсов

В работах [1,2] приведены результаты воздействия мощных наносекундных электромагнитных импульсов (НЭМИ) на физико-химические свойства веществ. Отмечено изменение свойств водных растворов солей и расплавов металлов. Приведены некоторые опыты, которые можно интерпретировать как трансмутацию химических элементов. Ниже приведем ряд свойств НЭМИ.

5.1. Наносекундные электромагнитные импульсы

Некоторые свойства НЭМИ можно описать следующим образом. В отличие от синусоидальных колебаний в качестве возбуждающего токового импульса используется однополярный импульс тока  jст(t) (рис 5.1), который создается специальным генератором.

Рис. 5.1. Импульс тока

Если такой импульс подать на какой-либо излучатель с объемом V, то поля E и H в точке наблюдения p , находящейся в свободном пространстве, в момент времени t определяются выражениями:

(5.1)

;

(5.2)

,

в которых Ā = (p, t) – векторный потенциал,

(5.3)

,

где , R = |p - p'|, V – объем излучателя. Если излучатель помещен в какую-либо плотную среду с удельной проводимостью электрического σэ и магнитного σм токов, то уравнение для нахождения векторного потенциала значительно усложняется и имеет вид [1]:

(5.4)

,

где – скорость света в среде с диэлектрической ε и магнитной μ проницаемостями. Решение уравнения (5.4) позволяет получить напряженности импульсных полей E и H в любой точке плотной среды. Далее можно получить уравнения для взаимодействия полей и частиц среды и оценить изменение свойств всей среды в целом. Это позволило бы создать строгую теорию воздействия НЭМИ на плотные среды.

Однако решение (5.4) представляет сложную математическую задачу и может быть получено для простейших случаев. Например, для сред с μ = 1 уравнение упрощается, но все еще остается очень сложным. Возможно, что на первоначальном этапе исследований достаточно знать энергетическую часть процесса воздействия НЭМИ на среду. Это означает, что необходимо приближенно оценить энергию излучения импульсного поля в среду. Такую оценку сравнительно просто получить экспериментально путем измерения отражения импульса от излучателя, помещенного в плотную среду.

В экспериментах использовался генератор НЭМИ типа GNP со следующими характеристиками: длительность импульса 0,5 нс, амплитуда более 8 кВ, мощность в одном импульсе более 1 МВт, частота повторения импульсов 1000 Гц. Генератор имеет малые габариты 270х90х30 мм, массу 1 кг, потребляет от источника 10 Вт. Большая мощность и малая длительность импульса приводят к возникновению импульсных электромагнитных полей с напряженностью до 108…1010 В/м в некоторые моменты времени. Под действием этих полей происходит существенное изменение свойств веществ.

Для проведения экспериментов использовались два типа излучателей: рупорный и излучатель коаксиального типа. Рупорный излучатель имеет вид пирамиды. Использовались рупоры с различными раскрывом и высотой. Две боковые поверхности пирамиды выполнены из фольгированного стеклотекстолита и соединены с генератором импульсов коаксиальным кабелем без симметрирующего устройства. Проводящие боковые поверхности рупора покрыты кремнийорганическим лаком, который устойчив в различных средах до высоких температур. Этот излучатель использовался для облучения жидкостей. Излучатель коаксиального типа выполнен в виде латунной трубки Ø14 мм и помещен в кварцевую пробирку Ø20 мм. Длина трубки 500 мм. Пробирка с трубкой помещались внутрь расплава.

Измерение коэффициента отражения импульсов от обоих излучателей при помещении их в плотные среды осуществлялось измерителем отражений Р5-15. Для всех используемых сред и расплавов коэффициент отражения был менее 0,1. Это означает, что 80% энергии импульса генератора переходит в среду.

5.2. Облучение водных растворов

Опыт по облучению раствора солей CuSO4 и ZnSO4 проводился в следующих условиях. Для приготовления растворов использовались реактивы с индексом ХЧ. Начальное значение pH=7. Облучение проводилось в стеклянном сосуде Ø90 мм высотой 120 мм. В него нагружался рупорный излучатель с раскрывом 60×60 мм, высотой 90 мм. Стенки рупоры были покрыты водостойким лаком. Измерение содержания ионов металлов в растворах проводилось по стандартной методике [3]. Результаты измерений представлены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Содержание ионов металлов, мг/л

Ион Исходная 100 с 200 с 400 с 800 с Погрешность
Cu2+ 0,16 0,18 0,19 0,18 0,18 0,03
Zn2+ 0,03 0,03

Во всех четырех опытах наблюдается небольшое увеличение концентрации ионов меди, которое находится в пределах погрешности.

Заметим, что опыт проводился при комнатной температуре 20°С, и выпаривания раствора не было. Поэтому под странностью результата подразумевается увеличение концентрации меди. Возможный переход Zn→Cu.

В следующем опыте облучался водный раствор этих же солей при пониженном значении pH. Использовался тот же облучатель. Время облучения – 16 мин. Раствор перемешивался магнитной мешалкой. Результаты опыта приведены в табл.5.2.

Таблица 5.2

Содержание ионов металлов, мг/л

Раствор pH Cu2+ Zn2+
Исходный 3,32 4,8 3,0
Облученный 3,35 4,6 3,2
Погрешность 0,01 0,01 0,05

Из таблицы видно, что в равных долях произошло увеличение концентрации цинка и уменьшение концентрации меди. Вероятный переход Cu→Zn. Сравнение результатов табл. 5.1 и 5.2 показывает на зависимость направленности процесса от величины pH.

По аналогичной методике облучался водный раствор солей CuSO4 и NiSO4 при пониженном значении pH. Использовался тот же облучатель. Время облучения – 16 мин. Раствор перемешивался магнитной мешалкой. Результаты опыта приведены в табл.5.3.

Таблица 5.3

Содержание ионов металлов, мг/л

Раствор pH Cu2+ Ni2+
Исходный 1,79 4,72 7,04
Облученный 1,8 4,8 6,56
Погрешность 0,01 0,01 0,05

Из данных таблицы видно увеличение концентрации меди и равное уменьшение концентрации никеля. Вероятный переход Ni→Cu.

В следующем опыте облучались соли CuSO4, FeSO4. Увеличение рН раствора до 7,7 достигалось добавлением Na2CO3. Сосуд и облучатель такие же, что и в предыдущем опыте. Время облучения – 16 мин. Концентрации ионов металлов в мг/л представлены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Содержание ионов металлов, мг/л

Ион Исходная 100 с 200 с Погрешность
Cu2+ 4,56 4,28 4,4 0,03
Fe2+ 6,1 6,4 6,45 0,1

Здесь в двух случаях отмечается аномальное увеличение концентрации ионов железа. Вероятный переход Cu→Fe.

По результатам этих опытов можно сделать следующий вывод. При некоторых условиях облучения водных растворов солей меди, железа, никеля и цинка наблюдается аномальное увеличение концентрации ионов.

5.3. Облучение расплавов металлов

Проводилось также исследование по облучению НЭМИ расплавов металлов. Облучение 8 кг литейного сплава АК5М происходило 8 мин непосредственно в цилиндрическом тигле из жаропрочной стали, покрытом огнеупорной краской на основе электрокорунда. Плавку проводили в шахтной печи типа СШОЛ. Облучатель – латунная трубка, вставляемая в кварцевую пробирку, помещался внутрь тигля. Один из выводов генератора НЭМИ соединялся с тиглем, второй – с латунной трубкой. Температура в начале облучения 780°С, в конце – 640°С. При включении генератора визуально наблюдалось сине-фиолетовое свечение между облучателем и расплавом. Анализ затвердевших проб проводился на спектрофотометре МФС8. Результаты представлены в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Содержание элементов в сплаве АК5М (остальное Al), %

Сплав Cu Fe Si Mg Mn
Исходный 2,1 0,98 4,20 0,46 0,076
Облученный 2,4 1,27 4,80 0,32 0,23
Погрешность 0,4 0,14 0,4 0,07 0,006

Видно, что здесь также имеется неожиданный результат — увеличение процентного содержания элементов Cu, Fe, Si, Mn в облученном образце. Очевидно, что при исключении грубой ошибки следует признать увеличение содержания элементов за время облучения 8 мин необъяснимым фактом.

Результаты химического анализа этих же образцов, проведенные через 3 месяца после облучения, представлены в табл. 5.6. Анализ на кремний проводился гравиметрическим сернокислотным методом. Анализ на медь – фотоколориметрический с диэтилдитиокарбонатом натрия. Анализ на железо – фотоколориметрический с сульфосалициловой кислотой.

Таблица 5.6

Содержание элементов в сплаве АК5М, %

Сплав Cu Fe Si
Исходный 2,15 1,17 4,84
Облученный 2,17 1,25 4,66

Анализ таблицы показывает, что заметным является увеличение содержания железа.

По выше приведенной методике проводилось также облучение сплава ЦАМ4-1. Масса обучаемого металла – 5 кг. Время облучения – 15 мин. Анализ химического состава проводился на атомно-адсорбционном спектрометре "Spectr AA Fs-220" фирмы "Varian". Анализ проводился через 12 дней после облучения. Результаты анализа представлены в табл. 5.7.

Таблица 5.7

Содержание элементов в сплаве ЦАМ4-1, %

Сплав Al Fe Cu Mg Zn
Исходный 3,43 0,10 0,89 0,008 95,57
Облученный 3,28 0,22 0,90 0,008 95,59
Погрешность 0,15 0,015 0,02    

Из таблицы видно, что и здесь произошло значительное увеличение содержания железа. Содержание меди увеличилось мало и находится в пределах ошибки. Заметно уменьшение содержания алюминия за малое время облучения. Вероятный переход Al→Fe.

Все предыдущие опыты по облучению проводились на расплавах сравнительно малой массы – 5…8 кг. В следующем опыте масса металла была увеличена до 300 кг. Облучение цинка проводилось в графитовом тигле в виде половины эллипсоида вращения. Диаметр тигля – Ø50 см, высота – 65 см. В расплавленный до 450°С металл была вставлена кварцевая пробирка с расположенным внутри цилиндрическим облучателем. С облучателем соединялась центральная жила кабеля, а экран соединялся с графитовым тиглем в двух диаметрально противоположных точках. Время облучения – 1 ч 30 мин. Образцы для химического анализа отливались в специальную форму до и после облучения металла. Результаты анализа представлены в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Содержание элементов в сплаве ЦАМ4-1, %

Сплав Al Fe Cu Mg Zn
Исходный 3,80 0,046 0,95 0,05 95,14
Облученный 3,50 0,053 0,93 0,047 95,47
Погрешность 0,15 0,015 0,02

Из этой таблицы видно, что содержание меди несколько уменьшилось и находится в пределах погрешности. Содержание железа увеличилось и находится в пределах погрешности. Заметно уменьшилось содержание алюминия. Вероятный переход Al→Fe.

По аналогичной методике проводилось облучение 300 кг цинка марки Ц0-А. Время облучения – 1 ч 30 мин. Данные химического анализа представлены в табл. 5.9.

Таблица 5.9

Содержание элементов в цинке Ц0-А

Металл Pb Fe Cu Sn Zn
Исходный 0,0071 0,0015 0,00181 0,0003 99,98
Облученный 0,0072 0,0024 0,00078 0,0001 99,27

В этом опыте следует отметить заметное увеличение содержания железа, уменьшение содержания меди и олова. Вероятный переход Cu→Fe.

По результатам облучения НЭМИ различных расплавов можно сделать выводы, что во многих опытах происходит необычное изменение химического состава расплавов за короткое время.

По методике облучения расплавов металлов проводилось облучение шлаковых расплавов. Их особенность заключается в том, что в холодном состоянии они являются плохими проводниками тока и имеют температуру плавления 1400°С. Плавление исходных смесей осуществлялось в графитовом тигле в индукционной печи. Масса расплава – 1 кг. Облучение расплава проводилось следующим образом. После расплавления часть расплава заливалась в стальную трубку диаметром 18 мм, помещенную в формовочную смесь, и там охлаждалась. Другая часть расплава заливалась в такую же трубку, внутри которой по центру располагался вольфрамовый электрод. Один вывод генератора НЭМИ соединялся с трубкой, другой – с вольфрамовым электродом. Фактически облучение проводилось в момент охлаждения расплава в течение 15 мин. После заливки расплава началось его охлаждение. Цвет из ярко-желтого изменился в темно-красный. Спустя 1,5…2 мин в трубке вновь возникло ярко-желтое свечение, которое продолжалось 20…30 с. После чего вновь началось охлаждение расплава. Подобное явление может быть связано с выделением энергии.

Состав расплавов в обеих трубках представлен окислами Al2O3, SiO2, Na2O, MgO, CaO, TiO2 (табл. 5.10).

Таблица 5.10

Содержание окислов в шлаковом расплаве, %

Элемент Na2O MgO Al2O3 SiO2 K2O CaO TiO2
Исходный 3,75 10,29 17,98 45,54 0,24 21,76 0,52
Облученный 3,68 9,98 17,47 45,54 0,33 21,9 0,99
Изменение – 0,07 – 0,31 – 0,51 0 +0,09 + 0,14 + 0,47
Погрешность 0,37 0,3 0,51 1,25 0,06 0,66 0,2

Анализ проводился на микроанализаторе JCXA-733 при следующих условиях. Ускоряющее напряжение U = 20 кВ, ток зонда I = 30 нА, диаметр зонда – 10 мкм. Погрешность анализов: для элементов с содержанием свыше 50 масс.% относительная погрешность 2%; для 10…50 масс.% – 3%; для 5…10 масс.% – 5…7 %; для 1…5 масс.% – 10%; ниже 1 масс.% – около 20 %.

Проводились также измерения содержания элементов на электронном микроскопе РЭМ-100У. Получены следующие результаты: до облучения содержание Al – 15,8, после – 13,6%; до облучения Si – 11,1, после – 10,5%. Приведенные результаты показывают значительный рост содержания титана, уменьшение содержания магния и алюминия.

5.4. Обсуждение результатов и научные гипотезы

В работах [1,2] предложено рассмотрение эффектов трансмутации на основе явления К-захвата. Суть его заключается в том, что протон захватывает электрон и превращается в нейтрон:

 p + e- = n + ν

при этом выделяется нейтрино ν. Обычно ближайшими к ядру оказываются электроны К-оболочки, откуда и название эффекта. Процесс К-захвата идет с наименьшими затратами энергии, если атомные массы исходных и конечных ядер равны. Требуются только свободные электроны. Образовавшаяся вакансия на K-оболочке может быть заполнена путем перехода электрона с внешней оболочки с эмиссией рентгеновского излучения или путем безрадиационного перехода (Оже-перехода). В литературе [4,стр.10] отмечается, что в природе Оже-переход происходит с большей вероятностью. Максимальная энергия рентгеновского излучения, (в эВ) при переходе свободного электрона на вакантное место в K-оболочке определяется формулой [5, с.484]

 h f = 13,6 (z - 2)2.

Например, для цинка она составляет 10662 эВ. Таким образом, К-захват описывает процесс превращения элементов при сравнительно небольших изменениях энергии.

Отметим, что процесс электронного захвата относится к слабым взаимодействиям, является внутринуклонным и происходит при энергиях на 24 порядка ниже, чем ядерные процессы [6, с.231]. Считают также, что при этом происходит внутренняя структурная перестройка ядра.

Предположим, что приведенные в п. 5.2 и 5.3 опыты можно трактовать как явление электронного захвата под действием мощного импульсного поля, и проведем анализ полученных результатов. Из данных табл. 5.1 следует, что возможен переход цинк – медь. Из анализа изотопного состава этих элементов [6, с.697] можно предложить два возможных варианта перехода стабильных изотопов цинка в нестабильные изотопы меди:

(5.5)

6730Zn(4,4%) + e6729Cu (β, 59 ч) ,

(5.6)

6430Zn(49%) + e6429Cu (β+, ε, β ,13 ч) ,

где β+ – позитронный распад, β – электронный распад, ε – естественный К-захват; % – процентное содержание изотопа в природе; период полураспада приведен в часах, днях и годах. То есть если поторопиться с анализом из-за малого времени полураспада изотопов меди, то вполне можно обнаружить увеличение концентрации ионов меди. Заметим, что соотношение (5.6) может быть продолжено в виде

(5.7)

6430Zn(49%) + e6429Cu (β+, ε, β , 13 ч) + e6428Ni(стаб.).

Это объясняет опыт Болотова по получению никеля из цинка. Сюда же можно прибавить еще один вариант перехода цинк – никель:

(5.8)

6630Zn(28%) + 2e6628Ni(β , 55 ч),

который может быть обнаружен. Возможен также переход медь – никель по уравнению

(5.9)

6329Cu(69%) + e6328Ni(β , 91 г).

с образованием долгоживущего изотопа никеля. Приведем еще некоторые возможные переходы между элементами, которые использовались в приведенных выше экспериментах. Переход никель – железо можно описать уравнением:

(5.10)

5828Ni(68%) + e5827Co(β+, ε, 71 дн.) + e5826Fe(стаб.).

Переходы железо – марганец и железо–хром описываются одним уравнением:

(5.11)

5426Fe(5,8%) + e5425Mn(ε, 303 дн.) + e5424Cr(стаб.).

Заметим, что это уравнение подходит для объяснения опыта Керврана по переходу Fe→Cr.

Теперь возвратимся к анализу экспериментальных данных и заметим, что результаты в табл. 5.2 не вписываются в вышеизложенную схему. Поэтому можно предложить гипотезу инициированного (β)-распада и рассмотреть переход стабильного изотопа Cu в нестабильный изотоп Zn по уравнению

(5.12)

6529Cu(β) – e6530Zn (β+, ε, 245 дн.),

которое описывает распад нейтрона под действием НЭМИ. Аналогичным образом переход Ni→Cu может быть описан уравнениями:

(5.13)

6128Ni(β) – e6129Cu (β+, ε, 3,3 ч),

(5.14)

6428Ni(β) – e6429Cu (β+, ε, 13 ч),

и обнаружен путем измерений.

Переход Cu→Fe в табл. 5.4 также не описывается теорией К-захвата. Теперь обратимся к анализу табл. 5.5. Увеличение содержания меди можно было бы объяснить переходом цинк – медь. Однако первоначально химический анализ на содержание цинка не проводился. Согласно ГОСТ 1583-93 сплавы АК5М допускают наличие примесей Zn и Ni до 0,5% каждого. Более поздний химический анализ на электронном микроскопе РЭМ-100У показал наличие этих элементов на уровне десятых долей процента в облученном и необлученном образцах. Таким образом, увеличение содержания меди в сплаве АК5М можно объяснить переходом цинк – медь. Сравнение содержания меди в облученном и необлученном образцах через 3 мес. после облучения (см. табл. 5.6) показывает практически их равенство. Это может указывать на присутствие нестабильных изотопов меди после облучения.

Увеличение содержания железа после облучения можно объяснить переходом никель – железо по уравнению (5.10). Значительное увеличение содержания марганца объясняется переходом железо – марганец по уравнению (5.11).

Нет удовлетворительного объяснения увеличению содержания кремния. Возможно, что здесь происходит переход Al → Si, как в работе Казбанова. К тому же по анализу, проведенному через 3 мес. после облучения (см. табл. 5.6), в облученном образце кремния стало меньше, а не больше. В целом по облучению сплава АК5М следует отметить, что его сложный состав делает его малопригодным для установления точных количественных отношений.

Теперь переходим к табл. 5.7, 5.8 с анализами сплава ЦАМ4-1. Здесь заметно уменьшение содержания алюминия и увеличение содержания железа. Данные о меди противоречивы и находятся в пределах погрешности. Странно и то, что не произошло заметного увеличения содержания меди, хотя цинка в сплаве очень много. Возможно, что переходы типа К-захвата идут при близких количествах переходящих металлов.

Для объяснения результатов в табл. 5.7–5.9 можно сделать предположение об "удвоении атома", которое аналогично гипотезе Керврана о делении атома на два:

(5.15)

22713Al → 5426Fe(стаб.).

В заключение следует отметить, что при облучении НЭМИ некоторых многокомпонентных растворов и расплавов наблюдаются изменения их химического состава, которые не объяснимы с позиций современной физики. Проведение более широких экспериментальных исследований даст больше информации для теоретических обоснований.

Некоторые результаты данной главы получены при выполнении работ по грантам Р2001 Урчел 03-08 и Р2001 Урчел 03-25, представленных Правительством Челябинской области и Российским фондом фундаментальных исследований.

Литература

  1. Наносекундные электромагнитные импульсы и их применение / В.С. Белкин, В.А. Бухарин, В.К. Дубровин В.К. и др.; Под ред. В.В. Крымского. Челябинск: Изд-во. "Татьяна Лурье", 2001. 119 с.
  2. Крымский В.В., Балакирев В.Ф. Воздействие наносекундных электромагнитных импульсов на свойства веществ// Доклады Российской академии наук, 2002. Т. 385. №6. С. 786–787.
  3. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. 287 с.
  4. Карлтон Т. Фотоэлектронная и Оже-спектроскопия. Л.: Машиностро-ение, 1981. 365 с.
  5. Орир Дж. Физика: Пер.с англ. М.: Мир, 1981. 622 с.
  6. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980. 727 с.