Электровзрыв вольфрамовой проволочки: 90 лет спустя
Только спустя 90 лет за повторение опытов Айриона и Вендта взялся российский научный коллектив под руководством доктора физико-математических наук Леонида Ирбековича Уруцкоева. Эксперименты, оснащенные современной экспериментальной и диагностической аппаратурой, проводили в легендарном Сухумском физико-техническом институте в Абхазии. Свою установку физики назвали «ГЕЛИОС» в честь путеводной идеи Айриона и Вендта (рис. 3). Кварцевая взрывная камера расположена в верхней части установки и подключена к вакуумной системе — турбомолекулярному насосу (окрашен в голубой цвет). Четыре черных кабеля тянутся к взрывной камере от разрядника конденсаторной батареи емкостью 0,1 микрофарад, которая стоит слева от установки. Для электровзрыва батарею заряжали до 35—40 киловольт. Диагностическая аппаратура, используемая в экспериментах (не показана на рисунке), позволяла исследовать спектральный состав свечения плазмы, которая образовывалась при электровзрыве проволочки, а также химический и элементный состав продуктов ее распада.
|
| 3. Так выглядит установка «ГЕЛИОС», в которой группа Л.И.Уруцкоева исследовала взрыв вольфрамовой проволочки в вакууме (эксперимент 2012 года) |
Эксперименты группы Уруцкоева подтвердили основной вывод работы девяностолетней давности. Действительно, в результате электровзрыва вольфрама образовывалось избыточное количество атомов гелия-4 (порядка 1016 частиц). Если же вольфрамовую проволочку заменяли на железную, то гелий не образовывался. Заметим, что в экспериментах на установке «ГЕЛИОС» исследователи зафиксировали в тысячу раз меньше атомов гелия, чем в экспериментах Айриона и Вендта, хотя «энерговклад» в проволочку был приблизительно одинаков. С чем связано такое отличие — еще предстоит выяснить.
|
|
|
Во время электровзрыва материал проволочки распылялся на внутреннюю поверхность взрывной камеры. Масс-спектрометрический анализ показал, что в этих твердых остатках наблюдался дефицит изотопа вольфрама-180, хотя в исходной проволочке его концентрация соответствовала природной. Этот факт также может свидетельствовать о возможном альфа-распаде вольфрама или другого ядерного процесса при электровзрыве проволочки (Л.И.Уруцкоев, А.А.Рухадзе, Д.В.Филиппов, А.О.Бирюков и др. Исследование спектрального состава оптического излучения при электриче- ском взрыве вольфрамовой проволочки. «Краткие сообщения по физике ФИАН», 2012, 7, 13—18).
Ускорение альфа-распада с помощью лазера
К низкоэнергетическим ядерным реакциям можно отнести и некоторые процессы, ускоряющие спонтанные ядерные превращения радиоактивных элементов. Интересные резуль- таты в этой области получили в Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН в лаборатории, возглавляемой доктором физико-математических наук Георгием Айратовичем Шафеевым. Ученые открыли удивительный эффект: альфа-распад урана-238 ускорялся под действием лазерного излучения с относительно небольшой пиковой интенсивностью 1012—1013 Вт/см2 (А.В.Симакин, Г.А.Шафеев, Влияние лазерного облучения наночастиц в водных растворах соли урана на активность нуклидов. «Квантовая электроника», 2011, 41, 7, 614—618).
|
|
|
|
| 4. Микрофотография наночастиц золота, полученных при облучении лазером золотой мишени в водном растворе соли цезия-137 (эксперимент 2011 года) |
Вот как выглядел эксперимент. В кювету с водным раствором соли урана UO2Cl2 с концентрацией 5—35 мг/мл помещали мишень из золота, которую облучали лазерными импульсами с длиной волны 532 нанометра, длительностью 150 пикосекунд, частотой повторения 1 килогерц в течение одного часа. При таких условиях поверхность мишени частично расплавляется, а жидкость, контактирующая с ней, мгновенно вскипает. Давление паров разбрызгивает наноразмерные капельки золота с поверхности мишени в окружающую жидкость, где они охлаждаются и превращаются в твердые наночастицы с характерным размером 10 нанометров. Такой процесс называют лазерной абляцией в жидкости и широко используют, когда требуется приготовить коллоидные растворы наночастиц различных металлов.
|
|
|
В экспериментах Шафеева за один час облучения золотой мишени образовывалось 1015 наночастиц золота в 1 см3раствора. Оптические свойства таких наночастиц радикально отличаются от свойств массивной золотой пластинки: они не отражают свет, а поглощают его, причем электромагнитное поле световой волны вблизи наночастиц может усиливаться в 100—10 000 раз и достигать внутриатомных величин!
Ядра урана и продуктов его распада (торий, протактиний), оказавшиеся вблизи этих наночастиц, подвергались воздействию многократно усиленных лазерных электромагнитных полей. В результате заметно изменилась их радиоактивность. В частности, гамма-активность тория-234 увеличилась в два раза. (Гамма-активность образцов до и после лазерного облучения измеряли полупроводниковым гамма-спектрометром.) Поскольку торий-234 возникает в результате альфа-распада урана-238, увеличение его гамма-активности свидетельствует об ускорении альфа-распада этого изотопа урана. Отметим, что гамма-активность урана-235 не возросла.
|
|
|
Ученые из ИОФ РАН обнаружили, что лазерное излучение может ускорять не только альфа-распад, но и бета-распад радиоактивного изотопа 137Cs — одного из главных компонентов радиоактивных выбросов и отходов. В своих экспериментах они использовали зеленый лазер на парах меди, работающий в импульсно-периодическом режиме с длительностью импульса 15 наносекунд, частотой повторения импульсов 15 килогерц и пиковой интенсивностью 109 Вт/см2. Лазерное излучение воздействовало на золотую мишень, помещенную в кювету с водным раствором соли 137Cs, содержание которого в растворе объемом 2 мл составляло примерно 20 пикограмм.
Через два часа облучения мишени исследователи зафиксировали, что в кювете образовался коллоидный раствор с наночастицами золота размером 30 нм (рис. 4), а гамма-активность цезия-137 (и, следовательно, его концентрация в растворе) уменьшилась на 75%. Период полураспада цезия-137 составляет около 30 лет. Значит, такое уменьшение активности, какое было получено в двухчасовом эксперименте, должно происходить в естественных условиях примерно за 60 лет. Поделив 60 лет на два часа, получим, что в течение лазерного воздействия скорость распада увеличилась примерно в 260 000 раз. Такое гигантское возрастание скорости бета-распада должно было бы превратить кювету с раствором цезия в мощнейший источник гамма-излучения, сопровождающего обычный бета-распад цезия-137. Однако в действительности этого не происходит. Радиационные измерения показали, что гамма-активность раствора соли не увеличивается (E.V.Barmina, A.V.Simakin, G.A.Shafeev, Laser-induced caesium-137 decay. «Quantum Electronics», 2014, 44 , 8, 791—792).
Этот факт говорит о том, что при лазерном воздействии распад цезия-137 идет не по наиболее вероятному (94,6 %) в нормальных условиях сценарию с излучением гамма-кванта с энергией 662 кэВ, а по другому — безызлучательному. Это, предположительно, прямой бета-распад с образованием ядра стабильного изотопа 137Ва, который в нормальных условиях реализуется только в 5,4% случаев.
Почему происходит такое перераспределение вероятностей в реакции бета-распада цезия — пока неясно. Тем не менее имеются другие независимые исследования, подтверждающие, что ускоренная дезактивация цезия-137 возможна даже в живых системах.
Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 331; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!