От нейтрона к звездам и зима тревоги нашей – ядерно-геофизической.

(аналитический обзор: возможные демографические и политэкономические последствия роста сейсмической активности на территории России)

Per astra neutron ad

          Terra inner ignata.

Со времени открытия нейтрона Дж. Чедвиком в 1932 г. число загадок в изучении его свойств скорее растет, чем убывает; причем вне зависимости от его формы существования: в единичном экземпляре, в микро-, макро- или мега-количествах. Тем более загадочно его поведение в составе атомных ядер или нейтронных звезд, где он стабилизируется. Поведение нейтрона в газах и в конденсированных средах также не изучено  до конца. Это создает множество проблем в радиационном материаловедении, которое изучает, например, повреждения материалов промышленных реакторов жесткими излучениями, вплоть до корпусов. Мы не будем муссировать здесь эти физико-технические проблемы. Однако укажем среди них лишь на возможный запуск  сейсмическим толчком аварии на ЧАЭС, который привел к потере контроля над нейтронными потоками в реакторе четвертого энергоблока (Л.И. Уруцкоев, В.Н. Герасько, 1999).

Одно из последних поразительных открытий в астрофизике также связано с нейтронами – это обнаружение мощных планетных систем у нейтронных звезд. Попутно отметим, что это были вообще первые наблюдения планет при звездах, и, конечно, никто не ожидал, что они будут обнаружены у таких «странных» звезд, как нейтронные. Забавно, что астрономы проясняли свое открытие постепенно, в драматические для нас годы: 1991, 1993, 1998.

Впервые к выводам о существовании нейтронных звезд, а также черных дыр, пришел еще в 1930-м году будущий отец атомной бомбы, тогда еще просто физик-теоретик Р. Оппенгеймер со своими соавторами. Отметим здесь его также не только как выдающегося физика, но и как незаурядного мыслителя двадцатого столетия, автора знаменитой совершенно пессимистической публичной лекции на съезде социологов: «Наука и иммунитет», которую можно  воспринимать как завещание потомкам. В какой-то мере наша статья есть попытка ответить ему через полвека, что  все же дана надежда (предвидеть) существу, сотворенному из праха («для гармонии с тем, что вечно»). И именно это доказал сам Оппенгеймер, предсказав существование необычных космических объектов, предотвратив со своими сотрудниками развертывание глобальных войн и отсрочив на полвека мировой энергетический кризис.

Что же в настоящее время могут предложить представители фундаментальных наук в ответ на прежние и  возникающие новые угрозы? Сейчас, когда, например, ядерные пояса шахидов на лидерах развитых стран перестают сдерживать мир от конфликтов, ввиду адаптации сознания людей к проявлениям терроризма и доступности для них новых видов оружия, в том числе легко изготовляемого так называемого «чистого» нейтронного оружия? Или средств лучевых поражений?  Эти проблемы мы анализировали в другом нашем аналитическом обзоре. Здесь же уделим основное внимание угрозам естественного ядерно- геофизического происхождения, которые мы в состоянии сформулировать на основании наших экспериментальных и теоретических результатов (а может и снизить эти угрозы на основании новейших физико-технических достижений).

1. От звездных проблем к Солнцу и Земле

Итак, существование планетных систем у нейтронной звезды трудно объяснить в свете прежних теоретических представлений об этой звезде, как в периоды ее предыстории, т.е. до взрыва сверхновой, так и на протяжении последующей эволюции ее остатков. А потому, в рамках  ортодоксальных представлений исчезает встает вопрос о неполноте наших знаний  о плазменных, радиационных, атомных, ядерных и гравитационных процессах и их механизмах, по крайней мере, в применении к данному явлению.

Однако следует отметить, что общий выход из сложившейся ситуации на фундаментальном уровне уже намечен в работах В.М. Дубовика и Е.Н. Дубовик (Дубна, 2005) и работе В.Д. Русова (Одесса, 2007). С математической точки зрения теоретические конструкции этих авторов основываются на условиях устойчивости механических систем, найденных в форме фундаментальных квантовых уравнений замечательным советским математиком Н.Г. Четаевым еще 1929 году. В дубненских разработках также отмечено, что эти уравнения с формальной точки зрения подобны уравнениям теории упругости, которые применяются, например, для описания колебаний тонких оболочек под влиянием каких-либо воздействий, скажем, сил давления.

Аналогично, на квантовые объекты воздействует «физический вакуум» и другие материальные среды, в которых эти объекты могут находиться. Непосредственным расчетным продолжением этих  теоретических продвижений можно считать работы О.С. Николаева (Северодонецк, 2005 – 2007), который вычислил значения величин внешних давлений, необходимых, скажем, для «погружения»  электронов атомов в их ядра путем всестороннего сжатия этих атомов.

Что же касается плазменных процессов, то и в их изучении в экстремальных условиях произошло большое продвижение.

Например, при воздействии сверхкороткими импульсами лазерного излучения на вещество или газы возникают в образующейся плазме    ударные волны и стимулируются различные химические и ядерные превращения (R. Rohlsberger et. al.: PRL 95 (2005) 097601; J. Jha et.  al. J. Phys. B: At. Opt. Phys. 38 (2005) L291--L299 и т. д.). Или, например,  Н. Фогель (ФРГ) и В.А. Скворцов (МФТИ), результаты работ которых освещены в докторской диссертации и монографии последнего из этих соавторов, наблюдали в эксперименте процессы трансмутации химических элементов и различные редкие физические явления, такие, как так называемое странное излучение и образование миниатюрных шаровых молний. Это позволило им обосновать гипотезу, что «карандашное» излучение пульсаров, т.е. нейтронных звезд, происходит не за счет их сверхбыстрых орбитальных вращений, возбуждающих магнитосферу, а за счет особенностей плазменных процессов в магнитосферах этих звезд. In sum, ситуация со странными проявлениями нейтронных звезд может оказаться не столь уж безнадежной в свете последних  теоретических и экспериментальных новаций.

Если же перейти к проблемам более «Земным и Солнечным», то тут также на первый взгляд окажется «вопросов больше чем ответов». Мы начали с описания проблем и их возможных решений на примере нейтронных звезд (пульсаров) не для того чтобы представить obscura per obscurius, т.е. выражать неясное через еще более темное. Дело в том, что большое иногда лучше видится на расстоянии. Так, мы многое узнаем и о Земле, изучая планеты солнечной системы при помощи наших телескопов, расположенных на космических обсерваториях, и приборов установленных на наших космических аппаратах. Естественно предполагать, что в нашей солнечной планетной системе, которая находится  на одной из стадий упомянутого выше процесса эволюции определенного сорта звезд, имеется наследственность в свойствах термоядерного реактора (Солнце) и остывающего конденсированного вещества в виде планет. Многие геофизики убеждены (см., например, В.А. Кривицкий, «Трансмутация химических элементов в эволюции Земли», Москва, 2003), что активные ядерные процессы в той или иной форме, несомненно, протекают в ядре и в мантии Земли. Последствия ядерных превращений, идущих в различных оболочках Земли, по-видимому, целесообразно наблюдать путем измерения нейтронных потоков и прочих видов излучений на доступных нам глубинах литосферы и на выходах магмы через вулканы на поверхность Земли. Кроме огромной геологической значимости изучения такого рода последствий эндогенных процессов (происходящих по нашему убеждению преемственно во всех слоях Земли!) среди геофизиков существует мнение, что мониторинг фоновых нейтронных потоков может быть полезен и для оценки состояния сейсмического режима, особенно в зонах  субдукции, на рифтовых разломах, а также на участках локальных деформаций земной коры.

 Действительности же, появление нейтронных, а также рентгеновских потоков возможно не  только при воздействии на вещество лазерного излучения, но и в электрофизических установках.  Впервые, по-видимому, этот эффект описал И.В. Курчатов в 1956 году в результате исследования разрядов тока в газовых смесях при максимальной силе тока в разряде до 2*10⁶А и максимальной мгновенной мощности до 4*10¹⁰ Вт  (Атомная энергия, 1956, вып. 3, с. 65--75).

В конденсированном состоянии вещества кроме температуры для инициирования ядерных реакций весьма существен еще один термодинамический параметр – давление, который может варьироваться на различных глубинах Земли от 1ГПа – 30 км и до 10ГПа – 300 км предположительно. Среди различных расчетных значений величин давления в ядре нашей планеты приведем также оценку В.А. Кривицкого…  Исходя из этой цифры на основании расчетов О.С. Николаева, можно говорить о возможной реальности гипотезы Кривицкого о наличии в центре Земли протоядер с массой, равной приблизительно четырем ядрам урана или кластеров атомов железа.

Если же рассматривать динамические процессы в земной коре, то, например, учеными ИФЗ АН СССР под руководством Г.А. Соболева в 1976 году экспериментально установлено явление генерации природными рудными телами импульсного электромагнитного излучения в радиоволновом диапазоне при воздействии на рудное тело упругой волны звукового диапазона.

При проведении исследований пьезоэлектрическим методом на полиметаллических месторождениях, руды которых содержат минерал-пьезоэлектрик сфалерит и ряд других минералов-полупроводников, эти  же исследователи обнаружили импульсные электромагнитные колебания с частотой выше 30 кГц. При этом зарегистрированные высокочастотные электромагнитные сигналы возникали только в тех рудных телах, которые содержали минералы—полупроводники (ср. с явлением колебаний диэлектрического  маятника, открытым  Н. С. Желудевым «Кристаллография», 1959, т. 4, с. 571).

Комплекс экспериментальных исследований, проведенных в натурных и лабораторных условиях, позволил дать объяснение обнаруженному явлению. Распространяющаяся в горной породе упругая сейсмическая волна взрыва вызывает на отдельных ее участках с пониженной прочностью или повышенными механическими напряжениями быстрое появление или рост трещин, что сопровождается возникновением слабых электрических импульсов широкого частотного диапазона и ультразвука. Электрический импульс, возникающий при образовании трещин или в результате их роста в межзерновой прослойке, либо многократно усиливается (транзисторный тип излучения), либо под его воздействием возникает пробой (тиристорный тип излучения). При этом частота усиленных колебаний зависит от инерционных переходов, размеров зерен и минерального состава рудных тел. Эта картина также дополняется ранее проведенными  наблюдениями член-корр. АН СССР Б.В.Дерягина с сотр.: всплесков нейтронного излучения с ювенильных поверхностей на разломах кристаллических образцов (1952).  В 80-х гг. его же группа наблюдала эмиссию нейтронов с небольшой интенсивностью при электромеханических воздействиях на кристаллические образцы (см. обсуждение результатов этих экспериментов в обзоре В.А. Царева: УФН, 1990, т. 100, №11 с. 1).

Поскольку прямое изучение активных процессов в глубинных слоях литосферы Земли нам не доступно, то экспериментаторы из отдела акад. М.А. Садовского, провели еще в середине 80-х гг. пионерские исследования поведения модельных образцов в экстремальных условиях. Так М.А. Ярославский отмечает, что при отогревании на воздухе образца, представляющего собой 7 г D₂O с примесью около 10 мг порошка природного мела в алюминиевом цилиндре с толщиной стенок 0,15 мм при помощи измерительной аппаратуры на основе счетчиков СИ13Н, окруженных слоем парафина толщиной 2–5 см и алюминиевым кожухом толщиной 0,5 мм обнаружена интенсивная нейтронная эмиссия. Зарегистрированы мощные цуги импульсов длительностью до нескольких сотен микросекунд, содержащие порядка 10³ импульсов. Похожая картина обнаружена при реологическом взрыве образцов мела или литографского камня, пропитанных жидкой D2O и замороженных в жидком азоте.

Поэтому Ярославского можно считать предшественником блестящего эксперимента, проведенного группой К. Такахаши в 2006 г., когда в аналогичных условиях по температуре (также жидкий азот) и при напряженности статического продольного магнитного поля 12 000 гс. были обнаружены импульсы нейтронного излучения от молекулярного газа дейтерия в отсутствие реакции синтеза (просим несведущих в данных вопросах не путать этот канал создания нейтронного потока в газе с возможной эмиссией нейтронов в ходе реакций холодного ядерного синтеза или при трансмутации химических элементов (см. сб. трудов под ред. член- корр. РАН  В.Ф. Балакирева «Взаимопревращения химических элементов», УрО РАН, 2003).     Ярославский и Такахаши наблюдали лишь пороговые  реакции  обдирки ядер дейтерия при закрытых прочих  каналах  ядерной реакции D₂+D₂ (конфиденциальные подробности механизма этой  реакции для целей двойного назначения найдены В. М. и Е. Н. Дубовиками).

В другой группе экспериментов исследователи целенаправленно шли к инициированию реакции холодного ядерного синтеза легких элементов по классической схеме Флейшмана и Понса (ради исторической справедливости стоит отметить параллельные опыты С. Джонса, а также пионерские исследования Ф. Панеза и К. Петерса в 1926-1927 гг.). В этой группе мы отметим достижение японских экспериментаторов Й.Арата и Ю Чанг, которые в мае с.г. представили международному сообществу теплогенератор, работающий с применением нанотехнологии на основе холодного ядерного синтеза в смеси  D₂O, ZrO₂ и Pd.

В начале же мая текущего года группа А. Маринова объявила об открытии практически стабильного сверхтяжелого элемента с атомным номером 122 и относительной атомной массой 292, причем, что принципиально важно: полученного на основе смеси природного происхождения  и не ускорительными методами.

К этому достижению у нас имеется целый ряд замечаний. Во-первых, стоит отметить, что первые оценки, указывающие на существование острова стабильности сверхтяжелых элементов, было произведены впервые А. Собичевским, Ф.А. Гареевым и Б.Н. Калинкиным еще в 1966 г. Во-вторых, сверхтяжелые элементы были получены в Киеве группой Адаменко-Высоцкого еще лет десять назад и их результаты были представлены на конференцию по ядерному синтезу, на которой  присутствовал научный руководитель ЛЯР ОИЯИ  акад. Ю.Ц. Оганесян. О наблюдении сверхтяжелых элементов И.Б. Савватимовой в экспериментах на установках предприятия «ЛУЧ»  акад. Оганесян был информирован также своевременно.  Никаких организационных выводов из полученной информации он до сих пор не сделал, и пытается исходить из формулы potior tempere – potior jure вопреки реальным фактам…

Теоретическое объяснение процессов холодного синтеза легких и образования сверхтяжелых элементов может быть рассмотрено в рамках гипотетической модели элементного состава внутреннего и внешнего ядер Земли, а фундаментальное  обоснование этих физических явлений может быть дано на основе модели строения атомов, разработанной В.М. Дубовиком и Е.Н. Дубовик. В ходе проведенных ими исследований были также установлены любопытные подробности построения модели того, что называется  старой квантовой механикой. Кроме прецедентного квантования ротатора, произведенного Дж. Николсоном в 1911 году, а в 1912 году (т.е. также до Н. Бора — 1913 г.!) релятивистские орбиты электрона в атоме водорода были найдены Ч.Г. Дарвином. Почему-то эта работа была забыта и не упоминалась впоследствии даже А. Зоммерфельдом. Работа Дарвина даже в то время могла бы оказаться весьма полезной для объяснения вопроса характера взаимодействия в атоме его внутренних электронов с ядром.

Заметим, что экспериментальные и теоретические возможности исследования этой группы явлений обсуждаются нами уже несколько лет, результаты выносились для обсуждения на конференциях (см., например, «Пятая международная конференция, Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле», Дубна, 20 - 23 октября 2004г., В.М. Дубовик, Е.Н. Дубовик, Т.И. Иванкина, А.Н. Никитин, «О синтезе и диссоциации сложных ядер и ядерных систем», В.М. Дубовик и Е.Н Дубовик «От новой квантовой механики к старой и синтез модели строения атома водорода с помощью КЭД», в сб. РУДН, 2006). Поскольку результаты этих теоретических исследований заложили основы для совместного рассмотрения электронных и ядерных структур в атомах, целесообразно выяснить, каким образом это может помочь восстановлению механизмов, по которым протекают каскады  ядерно-химических процессов во всех слоях Земли, и как они послойно определяют  подготовку землетрясений и вулканических извержений.

3. Ядернохимические превращения в глубинных слоях Земли

По нашему мнению процессы синтеза и распада химических элементов протекают на всех глубинах внутри Земли. В зонах доминирования экзотермических реакций происходит расплав вещества. Так, на границе внешнее ядро-мантия происходит первичный расплав, где зарождаются плюмы ввиду естественной диффузии тяжелых элементов в направлении к внутреннему ядру Земли, а легкие элементы начинают диффундировать к верхним слоям Земли. Вследствие пространственной неоднородности процесса по статистическим причинам (ср. с рельефом тающего карниз снега, пламени костра и т.д.; см. модельные представления подобных явлений, например, в докт. дисс. П.Н. Пятова (2008)), образуются купола, в которых, в результате критической концентрации легких элементов, начинаются процессы ядерного синтеза, создающие ядерно-активную головку будущего плюма. Таким образом, подпитываясь на протяжении миллионов лет теплотой ядерного происхождения, плюм достигает нижних слоев литосферы. Мы предполагаем, ссылаясь на опыт инициирования реакций холодного ядерного синтеза, что в создании условий для дальнейшего развития плюма определяющую роль играет трещиноватость пород, слагающих литосферу (см. фенологическое описание механической картины формирования сейсмических очагов в блестящем обзоре Ф. А. Летникова и Ю. Н. Авсюка, ДАН. т. 420, №3, с.372-374). В соответствии с результатами многочисленных лабораторных экспериментов, вместо ядерных процессов, происходящих по нашим предположениям в глубинных слоях Земли  из-за подходящих для этого термодинамических условий, основой инициирования ядерных реакций в литосфере являются градиенты электрических и магнитных атомных потенциалов в порах и трещинах слагающих  ее пород. Известно, что в ходе этих реакций образуется большое количество благородных газов. Эти эманации сопровождаются также небольшими выходами нейтронного и прочего вида излучениями. Это мы прокламируем на основе вышеизложенной совокупности экспериментальных и наблюдательных данных.

В соответствии с нашей гипотезой нарисуем картину последовательного послойного изменения  ядерно-изотопного состава Земли. Известно (В.П. Трибурт, 2008 г., частное сообщение), что общая масса Земли, отнесенная к массе дейтерия, и объем Земли, отнесенный к объему дейтерия в пределах его первой боровской орбиты – числа, совпадающие вплоть до третьего знака. В то же время в составе литосферы Земли, среди тяжелых и средних элементов, преобладают нейтрон-избыточные ядра. Отсюда следует, что в ядре Земли должны преобладать нейтрон-дефицитные ядра по шкале, задаваемой таблицей Менделеева.

Результаты квантово-статистических расчетов структуры этих нейтрон-дефицитных ядер указывают на то, что, во-первых, связующими элементами в составе этих ядер являются нейтроны, а, во-вторых, протоны находятся в ядерных корах, и их роль, как связующих элементов в составе этих ядер, незначительна. Для выравнивания локальных средних плотностей на паритетную плотность дейтерия, это означало бы возможность существования во внешнем ядре среди нейтрон-дефицитных ядер также легких нейтрон-избыточных ядер (один из первых расчетов «короля» среди них , Li 11, был произведен в работе  В.В. Бурова, О.В. Дерипаски и др.). Под влиянием силы тяжести эта легкая фракция должна была бы диффундировать по направлению к поверхностным слоям планеты. По мере их накопления в слоях  над внешним ядром, ввиду повышенной вероятности среди них процессов синтеза с выделением свободных нейтронов, вещество в этих верхних слоях переходило бы в состояние расплава, образуя магматический слой Мохоровичича. В этой зоне, вследствие более мягких термодинамических условий, инициируются оба противоборствующих канала ядерных реакций: и синтеза среди легких элементов, в основном в головках  плюмов, и распадов тяжелых элементов, распределенных по всему объему зоны.  Причем именно в верхней части этой зоны начинается под влиянием магнитогидродинамических и инерционных сил сепарация средних и тяжелых элементов, приводящих к проявлению эффекта Кривицкого—Шахпаронова. Именно эти  физические механизмы при участии насоса—плюма и предопределяют дальнейшие процессы рудообразования в литосфере Земли.  

Рассмотрим данную картину в свете гипотезы Кривицкого, о том, что центральная область ядра Земли состоит из протоядер, с массой приблизительно равной массе четырех ядер урана. Согласованность нашей гипотезы с выводами Кривицкого и их сосуществование выживает в единственном случае: когда легкие нейтронизбыточные ядра в термодинамических условиях ядра Земли стабильней, чем привычные для нас изотопы с равным количеством протонов и нейтронов, и, соответственно, тяжелые нейтрон-дефицитные элементы стабильнее в этих условиях чем, например, группы привычных для нас уран-ториевых элементов. Другими словами, таблица Менделеева в общей картине (со)существования изотопов  в условиях ядра Земли должна строиться по иной закономерности, чем известные нам элементы таблицы Менделеева на поверхности Земли. Таким образом, оптимум по свойствам стабильности изотопов для каждого слоя был бы свой, и он достаточно плавно «эволюционировал» бы в зависимости от термодинамических условий от слоя к слою к привычной нам системе Менделеева на общей гипотетической схеме расположения нейтрон-избыточных и нейтро – дефицитных изотопов. Другими словами,   проявлялась бы зависимость Таблицы от радиуса залегания рассматриваемого слоя, что, вместе с тем, никак не нарушало бы гениального прозрения Проута (18)  и блестящей систематики  Ю.Б.  Магаршака (1992--2008). С одной лишь существенной поправкой  Трибурта: химические элементы вещества «складываются» не из атомов водорода, а из атомов дейтерия!

Главный вывод из рассмотренной гипотетической картины, исходящей из численной находки Трибурта состоит в том, что первичный разогрев вещества мантии происходит в основном за счет процессов синтеза (с испусканием большого количества свободных нейтронов), причем в основном в головках плюмов. Во вторичный же разогрев, распределенный по всей литосфере, вкладывают свою долю  распады элементов уран-ториевой группы, порождающие нейтронные потоки, которые выходят в горячих точках, определяемых мантийными процессами.

К этому достижению у нас имеется целый ряд замечаний. Во-первых, стоит отметить, что первые оценки, указывающие на существование острова стабильности сверхтяжелых элементов, было произведены впервые А. Собичевским, Ф.А. Гареевым и Б.Н. Калинкиным (Дубна) еще в 1966 г. Во-вторых, сверхтяжелые элементы были получены в Киеве группой Адаменко-Высоцкого еще лет десять назад и их результаты были представлены на конференцию по ядерному синтезу, на которой  присутствовал научный руководитель ЛЯР ОИЯИ  акад. Ю.Ц. Оганесян. О наблюдении сверхтяжелых элементов И.Б. Савватимовой в экспериментах на установках предприятия «ЛУЧ»  акад. Оганесян был информирован также своевременно.  Никаких организационных выводов из полученной информации он до сих пор не сделал, и пытается исходить из формулы potior tempere – potior jure вопреки реальным фактам…

                              Литература

1. Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97. 1:8 000 000. Объснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М.: ОИФЗ РАН, 1999. 57 с.

2. Лаверов Н.П., Добрецов Н.П., Богатиков О.А. и др. Новейший и современный вулканизм на территории России. М.: Наука, 2005. 604 с.

3. Дубовик Е.Н., Дубовик В.М. Электромеханическая модель атома водорода как представление стохастического квантовополевого процесса взаимодействия электрона с протоном. Вестник РУДН, Серия Математика, Информатика, Физика. 2007, № 3-4, С. 107-121. (В работе представлены физические принципы без раскрытия технологических подробностей.)