8. Распадно-синтезное преобразование элементов

8.1. Исходные положения

В гл. 2–7 приведены результаты экспериментальных исследований, сопоставление которых приводит к однозначному заключению, что преобразование (трансмутация) химических элементов при низких энергиях существует. Рассмотрены два вида сред: малопроводящие ток жидкие диэлектрики (вода, водные растворы, водно-дисперсные среды, органические жидкости) и хорошо проводящие ток расплавы металлов. Под действием больших внешних токов из исходных химических элементов образуется большое количество новых. Возможно, что процесс преобразования в разных средах не является одинаковым и состоит из отдельных разных частей.

В физике известны два разных способа возникновения новых элементов: распад и синтез ядер из исходных. Возможно, что в описанных экспериментах эти процессы идут последовательно, чередуются, или идут одновременно.

Современная теория последовательного происхождения химических элементов в звездах [1–3] включает следующие основные этапы и процессы: горение водорода, горение гелия, горение углерода и кислорода, горение кремния, реакции под действием нейтронов, α-процесс, s- и r- процессы, E- процесс, p-процесс, x-процесс. Эту теорию можно назвать теорией синтеза элементов от простого к сложному. Приведем кратко суть ее положений.

Процесс начинается с горения водорода. В протон-протонном цикле (pp-цикл) идет последовательное образование 2H, 3He, 4He. Возможно также образование легких элементов Li, Be и B. В CNO-цикле последовательное добавление одного атома H к 12C приводит к образованию изотопов 13N, 13C, 14N, 15O, 15N. Далее идет реакция образования 4He:

15N + 1H → 12C + 4He,

и возврат к началу цикла.

Горение гелия 4He после pp-цикла приводит к образованию неустойчивого изотопа 8Be:

4He + 4He → 8Be,

который быстро реагирует еще с одним ядром 4He с образованием 12C:

8Be + 4He → 12C + γ.

Эта реакция дает старт α-процессу: последовательного добавления 4He с образованием 16O, 20Ne, 24Mg, 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca. Рассматриваются варианты этого процесса в виде реакций удвоения:

12C + 12C → 24Mg + γ;

16O + 16O → 32S + γ,

либо с образованием протонов и нейтронов:

12C + 12C → 23Na + p;

12C + 12C → 23Mg + n + e+;

16O + 16O → 31P + p;

16O + 16O → 31S + n + e+.

При горении кремния возможна реакция

28Si + 28Si → 56Ni + γ.

Здесь значительную роль начинают играть реакции под действием γ-квантов и электронов. Возможны следующие реакции:

28Si + γ → 24Mg + 4He,

28Si + γ → 27Al + p,

28Si + γ → 27Si + n ,

которые приводят к образованию большого количества нейтронов и протонов, что в конечном итоге через E-процесс приводит к образованию большого количества элементов в районе железного максимума.

Далее образование элементов описают реакциями захвата. Выделяют два вида таких реакций: r-процесс и s-процесс, которые отличаются временем протекания. Для r-процесса характерны времена от 0,01 до 100 с, для s-процесса – от 102 до 105 лет. Суть процессов в поочередном захвате ядром внешних протонов с последующим β-распадом и образованием следующего по порядку элемента. Эти процессы описывают образование тяжелых ядер.

В p-процессе происходят образование и захват позитронов, протонов, фоторождение нейтронов. В результате образуются ядра массой более 60.

X-процесс описывает образование легких ядер Li, Be, B в реакциях фото–расщепления под действием космических лучей.

Сопоставляя время образования, исходные и конечные условия возникновения новых элементов в описанных выше экспериментах и теориях, можно заключить, что наиболее вероятны pp-цикл, α-процесс, E- и r-процессы.

Заметим также, что в этих реакциях водород не является основным исходным продуктом. Более того, в каждом из методов имеются разные стартовые условия. В методах Болотова и Солина это одноэлементные (Co, Zr) или двухэлементные расплавы (B и N). В методе Вачаева–Иванова это вода (H и O), органические жидкости бензол и фенол (C, H и O) либо вода плюс дисперсный наполнитель со сложным составом. В работах Крымского – вода плюс два химических элемента (Cu-Zn, и Cu-Fe) или расплавы с достаточно сложным (5–7 элементов) составом. В методе Казбанова это три элемента Al, P и O. В методе Уруцкоева – вода, перекись водорода H2O2, органическая жидкость (глицерин) плюс металл (Ti, Zr, Fe, Pb и др.). Результаты же во многом похожи: образуются элементы как с большим, так и с меньшим атомным весом. Поэтому можно предположить, что из разных начальных условий происходит и синтез, и распад исходных элементов.

8.2. Распад веществ и элементов

В теориях распада ядер хорошо проработаны α-распад, β-распад, β+- распад, изучен процесс захвата электронов ядром (К-захват). Существующий спонтанный распад тяжелых элементов не имеет строгой теории. Ни один из типов распада полностью не описывает происходящие процессы. Можно предложить физико-химическую модель распада.

Существует известный процесс радиолиза воды [4]. Суть этого процесса заключается в следующем. Под действием внешних факторов (γ-излучение, электронный пучок) на физической стадии процесса за время 10–16…10–11 с происходит ионизация молекулы воды. Энергия ионизации ≈14 эВ. На физико-химической стадии за время 10–13…10–9 с происходят диссоциация молекулы или иона, внутренние превращения в молекуле или ионе, ионно-молекулярные реакции и перенос заряда. После этих двух стадий образуются свободно радикальные продукты eaq, H+, OH. Далее на химической стадии за время 10–10…10–7 с происходят реакции между радикалами и реакции радикалов с растворенными веществами. В конце процесса радиолиза из воды образуется комплекс химических элементов и частиц

H2O → eaq, H, OH, H2 , H2O2, H+aq, OHaq,

где индекс aq означает гидратацию частицы. В малых количествах образуется также атомарный кислород. Известно также, что в воде всегда содержится молекулярный кислород в количестве 2…5 %. В конечном итоге в воде образуется среда с высоким содержанием eaq, H2, H+aq (протон), 16O.

Использование органических жидкостей: бензола – C6H6, фенола – C6H5OH в работах Вачаева, глицерина – C3H5(OH)3 в работе Кузнецова, может приводить к аналогичным результатам. То есть эти жидкости тоже подвергаются радиолизу [5], в результате чего могут образоваться es, (индекс s означает сольватацию) H2, H+s (протон), 12C.

Особенность процесса радиолиза состоит в изменении структуры жидкости и образовании ионных кластеров [4]. Гидратированный электрон является ионным кластером типа XnXm , где n – число молекул в кластере, m – число молекул в ближайших слоях. Для eaq n =  2, 3, 4, 6, 8, а m может достигать достаточно больших значений. Образование кластеров означает, что в воде образуются симметричные структуры, содержащие 2, 3, 4 (тетраэдр), 6 (октаэдр), 8 (куб) близко расположенных молекул воды.

8.3. Образование элементов из воды

Рассмотрим пути образования устойчивых изотопов из компонентов распада воды. Из продуктов распада возможен процесс синтеза в виде нескольких ветвей.

Одна из ветвей может начаться с кислорода, который связан в двухионном кластере. Идут реакции с двухчастичным конечным состоянием [2, с.210]:

(8.1)

16O + 16O → 28Si + 4He + 9,59 МэВ;

(8.2)

16O + 16O → 31 P + 1H + 7,68 МэВ;

(8.3)

16O + 16O → 31S + n + 1,45 МэВ,

либо реакции с трехчастичным конечным состоянием [2, с.211]:

(8.4)

16O + 16O → 30Si + 1H +1H + 0,39 МэВ;

(8.5)

16O + 16O → 24Mg + 4He + 4He – 0,39 МэВ;

(8.6)

16O + 16O → 27Al + 4He + 1H – 1,99 МэВ.

Основной реакцией здесь считают [3, с.113] синтез серы:

(8.7)

16O + 16O → 32S + γ + 16,54 МэВ.

Из кислорода возможно образование углерода [3, с.117]:

(8.8)

16O + γ → 12C + 4He – 7,164 МэВ.

Его образование может также идти по цепочке из продуктов реакций (8.1), (8.5), (8.6) [3, с.111]:

4He + 4He → 8Be – 0,09 МэВ;

8Be + 4He → 12C* – 0,29 МэВ;

12C* → 12C + γ + 7,65 МэВ.

Из углерода возможно образование натрия:

(8.9)

12C + 12C → 23Na + 1H + 2,24 МэВ.

Все новые элементы, находящиеся в правых частях уравнений (8.1)–(8.9), обнаруживаются в опытах Вачаева–Иванова, Уруцкоева и Кузнецова.

В опытах Вачаева–Иванова и Кузнецова отмечено образование хлоратов и хлора. Это может происходить в реакциях, где начальным элементом является фосфор:

3115P + 42He → 3517Cl .

В опытах Уруцкоева и Кузнецова отмечено образование калия. Это также может произойти из фосфора:

3115P + 42He + 42He → 3919K .

Образование некоторых элементов после кремния описывают равновесными E-процессами [3, с.123]:

2814Si + 42He ↔3216S + γ;

3216S + 42He ↔3618Ar + γ;

3618Ar + 42He ↔4020Ca + γ;

4020Ca + 42He ↔4422Ti + γ;

4422Ti + 42He ↔4824Cr + γ;

4824Cr + 42He ↔5226Fe + γ;

(8.10)

5226Fe + 42He ↔5628Ni + γ,

которые можно продолжить до германия:

5628Ni + 42He ↔6030Zn + γ;

(8.11)

6030Zn + 42He ↔6432Ge + γ.

В уравнениях (8.10), (8.11) элементы после кальция являются неустойчивыми изотопами, которые через β+-распад и К-захват переходят в стабильные [1, с.68; 6, с. 696–697]:

(8.12)

4422Ti(ε, 47 г) + e4421Sc(β+, ε, 3,9 ч) + e4420Ca(стаб);

(8.13)

4824Cr(ε, 23 ч) + e4823V(ε, 308 д) + e4822 Ti(стаб);

(8.14)

5226Fe(β+, ε, 8,5 ч) + e5225Mn(β+, ε, 5,8 д) + e5224Cr(стаб);

(8.15)

5628Ni(ε, 6,1 д) + e5627Co(β+, ε, 72 д) + e5626Fe(стаб);

(8.16)

6030Zn(β+, ε, 20 м) + e6029Cu(β+, ε, 23 м) + e6028Ni(стаб);

(8.17)

6432Ge(β+, ε) + e6431Ga(β+, 2,6 м) + e6430Zn(стаб),

где через м – минуты, ч – часы, д – дни и г – годы обозначено время периода полураспада или прохождения К-захвата (ε) в естественных условиях. Все новые стабильные элементы из уравнений (8.10)–(8.11) обнаруживаются в экспериментальных исследованиях. Возможен путь образования элементов из трех и четырех атомов кислорода.

Другая ветвь синтеза может начинаться с протона, электрона и водорода, которые возникают в результате радиолиза воды. При большом количестве протонов и электронов может идти реакция образования нейтронов [1, с.94]:

p + e → n + ν.

Образование дейтерия может происходить из водорода по реакции [1, с.36]

(8.18)

1H + 1H → 2H + e+ + ν + 0,42 МэВ,

либо из протонов и нейтронов по реакции [1, с.96]

p + n → 2H + γ.

Далее возможны реакции [1, с.96]:

2H + 2H → 3He + n;

2H + 2H → 3H + p;

3He + n → 3H + p.

Дейтерий и тритий могут образовывать воду. Наличие тяжелой 2H2O и сверхтяжелой 3H2O воды в больших концентрациях отмечено в работах Вачаева–Иванова. Неустойчивый изотоп 3H имеет большой период полураспада (12 лет), поэтому в дальнейших быстротекущих реакциях [1, с.96] его можно считать устойчивым

3H + p → 4He + γ;

3H + 2H → 4He + n.

Наличие гелия 3He и 4He в газах после реактора отмечено в опытах Вачаева– Иванова.

После реакции (8.18) возможен и другой путь образования гелия [3, с.110]:

(8.19)

2H + 1H → 3He + 5,49 МэВ;

(8.20)

3He + 3He → 4He + 21H + 12,86 МэВ.

Далее из гелия может образовываться литий [3, с.110]:

3He + 4He → 7Be + 1,58 МэВ;

(8.21)

7 Be + e7Li + ν + 0,06 МэВ.

Реакции (8.18)–(8.20) идут с выделением энергии. Можно предложить и более быстрые пути для образования лития через синтез:

(8.22)

4He + 2,3H → 6,7Li,

или через распад бериллия:

(8.23)

84Be → 6,73Li + 2,1H.

Стабильный изотоп берилия может образовываться из лития в реакции синтеза:

(8.24)

6,7Li + 3,2H → 9Be,

либо при захвате нейтрона:

(8.25)

84Be + n → 9Be.

Аналогичным образом для бора возможны две реакции:

(8.26)

6,7Li + 4He → 10,11 B;

(8.27)

84Be + 2,3H → 10,11 B.

Реакции (8.21)–(8.27) описывают образование легких элементов из воды.

В этих же опытах обнаруживают ванадий, марганец и медь. Их образование также связывают с Е-процессом [3, c.43]. Для образования V и Mn возможны продолжение синтеза из Ti и Cr по уравнениям (8.10), (8.13)–(8.15) с элементом 31H либо распад Cr и Fe с потерей атома водорода:

(8.28)

4822Ti + 31H → 5123V;

(8.29)

5224Cr + 31H → 5525Mn;

(8.30)

5224Cr – 11H → 5123V;

(8.31)

5626Fe – 11H → 5525Mn.

Образование меди может происходить из цинка с потерей водородного атома:

(8.32)

6430Zn – 11H → 6329Cu.

В опытах Вачаева–Иванова после обработки воды обнаруживаются новые элементы Se, Sn, Pb и Bi. Возможно, что это происходит в реакциях кратного объединения:

(8.33)

24020Ca + 6e8034Se.

Большое количество олова (сравнимое с железом) может образовываться из никеля и цинка как разветвление реакций (8.10):

(8.34)

25628Ni + 6e11250Sn;

(8.35)

26030Zn + 10e12050Sn.

Аналогичным путем может образоваться свинец и висмут:

(8.36)

45226Fe + 22e20882Pb;

(8.37)

20852Pb + 11H → 20983Bi.

Этими элементами завершается список элементов, которые образуются только из воды или углеводородов.

8.4. Образование элементов в жидко-дисперсных средах

Очевидно, что наличие любого элемента в воде или углеводородной жидкости расширяет условия распада и синтеза. Наиболее явно это просматривается в опытах Уруцкоева при взрыве титановой фольги. В этом случае отмечено изменение его изотопного состава в сторону уменьшения 4822Ti. Можно предположить, что идет его деление на два:

4822Ti → 22411Na(β, 15 ч) → 22412Mg.

Элемент магний обнаруживается после взрыва. Магний также может делиться на углерод и далее:

2412Mg → 2126С;

126С → 8Be + 4He.

Затем образование новых элементов уже идет как бы из титана по вышеприведенной схеме.

Образование ванадия:

4822Ti + 31H → 5123V.

Далее может идти образование устойчивых изотопов хрома из изотопов титана или ванадия:

46,48,49,5022Ti + 42He → 50,52,53,5424Cr;

5123V + 2,31H → 53,5424Cr.

Устойчивый моноизотоп марганца может образовываться из нескольких изотопов хрома:

52,53,5424Cr + 3,2,11H → 5525Mn.

Возможно, что именно этим объясняется большое количество марганца в опытах Кузнецова.

За марганцем следует железо, которое может образоваться непосредственно из титана:

46,48,49,5022Ti + 84Be → 54,56,57,5826Fe

50,52,5424Cr + 42He → 54,56,5826Fe.

Наличия кобальта в работах Вачаева и Уруцкоева не отмечено, но его образование может пройти по реакции:

56,57,5826Fe + 3,2,11H → 5927Co.

Из хрома и железа может образоваться никель:

50,52,53,5424Cr + 84Be → 58,60,61,6228Ni;

54,56,5826Fe + 42He → 58,60,6228Ni,

наличие которого обнаруживается в обеих работах.

Далее идет медь, которая может образовываться из марганца или никеля:

5525Mn + 84Be → 6329Cu;

60,6228Ni + 31H → 63,6529Cu.

Цинк может получиться из никеля, железа и титана:

60,62,6428Ni + 42He → 64,66,6830Zn;

56,5826Fe + 84Be → 64,6630Zn;

48,5022Ti + 168 O → 64,6630Zn.

Изотоп цинка 6730Zn может получиться из меди:

6529Cu + 21H → 6730Zn.

Молибден может образовываться непосредственно из титана:

246,47,48,49,5022Ti + 2e92,94,96,98,10042Mo.

В экспериментах Уруцкоева и Кузнецова отмечено также образование серебра, индия, олова и сурьмы. Существует путь образования серебра в реакции удвоения из разных изотопов хрома:

5324Cr + 5424Cr + e10747Ag.

Образование индия может происходить из изотопов железа:

5626Fe + 5726Fe + 3e11349In;

5726Fe + 5826Fe + 3e11549In,

а образование олова – из изотопов железа и никеля:

256,57,5826Fe + 2e112,114,11650Sn;

258,60,61,6228Ni + 6e116,120,122,12450Sn.

Сурьма также может образовываться из изотопов никеля:

6028Ni + 6128Ni + 5e12151Sb;

6128Ni + 6228Ni + 5e12351Sb.

Схема преобразования элементов мало изменяется при использовании фольги из циркония, тантала и свинца в опытах Уруцкоева и Кузнецова. Вероятно, что вначале под внешним воздействием происходит их вынужденное деление на два или более произвольных атомов, а далее происходит синтез новых элементов по вышеприведенной схеме. Например, для циркония можно предложить несколько вариантов деления на два устойчивых изотопа:

9040Zr → 4420Ca +4620Ca;

9240Zr → 24620Ca;

9440Zr → 4620Ca +4820Ca;

9640Zr → 24820Ca.

Далее из кальция через α-процесс могут образоваться изотопы титана:

44,4620Ca + 42He → 48,5022Ti.

Схема образования новых элементов из титана была рассмотрена выше.

Эти предложения завершают описание возможных путей преобразования химических элементов в жидких средах. Очевидно, что предложения носят характер гипотез и требуют экспериментальной проверки.

Литература

  1. Ишханов Б.С., Капитонов И.М. Ядерная физика. Происхождение элементов. М.: МГУ, 1989. 118 с.
  2. Ядерная астрофизика / Под ред. Ч. Барнса. М.: Мир, 1986. 519 с.
  3. Ленг К. Астрофизические формулы. М.: Мир, 1978. Т.2. 383 с.
  4. Харт Э., Анбар М. Гидратированный электрон. М.: Атомиздат, 1973. 230 с.
  5. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Радиолиз газов и жидкостей. М.: Наука, 1986. 439 с.
  6. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980. 727 с.