[논문 리뷰] Initiation of nuclear reactions under laser irradiation of Au nanoparticles in the presence of Thorium aqua-ions

Alexander V. Simakin, Г. А. Шафеев|arXiv (Cornell University)|2009. 06. 23.

Catalysis and Oxidation Reactions인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 수용성 Th(NO₃)₄ 용액에 분산된 금 나노입자를 이용해 레이저 유도 핵반응을 토륨-232 핵에서 연구한다. 레이저 조사 강도가 10¹⁰ W/cm²에 이르는 저강도에서도 조사 후에 강화된 감마 활성이 관찰되었으며, 반응 경로는 H₂O와 D₂O 환경 간에 상당한 차이를 보였다. 특히 H₂ 또는 D₂ 가스로 포화된 조건에서 그러한 차이가 두드러졌다.

ABSTRACT

Initiation of nuclear reactions in Thorium nuclei is experimentally studied under laser exposure of Au nanoparticles suspended in the aqueous solution of Th(NO3)4 (232Th). It is found that the reaction pathway depends in which water, either H2O or D2O, the laser exposure is carried out. Saturation of the liquids (H2O or D2O) with gaseous H2 or D2, respectively, enhances the nuclear reactions under laser exposure allowing their excitation at peak intensity as low as 1010 W/cm2. Enhanced gamma-activity of the probe is observed after the end of laser exposure for several hours.

연구 동기 및 목표

• Au 나노입자를 이용한 레이저 조사로 ²³²Th 핵에서 핵반응을 유도하는 것을 탐색한다.
• 용매 환경(H₂O 대비 D₂O)이 핵반응 경로에 미치는 영향을 조사한다.
• 저강도 레이저 조사 조건에서 H₂ 또는 D₂ 가스 포화가 핵반응 수율을 향상시키는지 확인한다.
• 레이저 조사 이후 핵활동, 특히 감마 활성이 시간에 따라 어떻게 유지되는지 조사한다.
• 10¹⁰ W/cm²에 이르는 저강도 레이저로도 핵변환을 유도할 수 있는지 타당성을 평가한다.

제안 방법

• 10¹⁰ W/cm²에 이르는 낮은 강도의 펄스 레이저 빛으로 수용성 Th(NO₃)₄ 용액에 분산된 Au 나노입자를 조사한다.
• 반응 경로와 수율을 비교하기 위해 H₂O와 D₂O를 모두 용매로 사용한다.
• 용액에 H₂ 또는 D₂ 기체를 포화시켜 핵반응에 수소 또는 중수소 이온이 관여할 가능성을 조사한다.
• 레이저 조사 중 및 이후에 감마선 활성을 측정하여 핵반응 생성물을 탐지한다.
• 다른 용매 및 기체 조건에서 감마 활성 수준을 통제된 조건으로 비교하여 반응 메커니즘을 분리한다.
• 표준 감마 스펙트로스코피 기법을 사용해 조사 후 방사능을 식별하고 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Au 나노입자를 포함한 Th(NO₃)₄ 용액에 레이저를 조사할 때 ²³²Th 핵에서 측정 가능한 핵반응이 유도될 수 있는가?
• RQ2 용매(H₂O 대비 D₂O)가 레이저 유도 핵반응의 수율과 경로에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 용액이 H₂ 또는 D₂ 기체로 포화된 상태에서 저강도 레이저 조사 조건에서 핵반응 발생 확률이 향상되는가?
• RQ4 레이저 조사 이후 지속적인 감마 활성이 관찰되는가? 그리고 얼마나 오랫동안 지속되는가?
• RQ5 이 시스템에서 레이저 강도가 10¹⁰ W/cm²에 이르는 저강도 조건에서도 핵변환이 유도될 수 있는가?

주요 결과

• 10¹⁰ W/cm²에 이르는 낮은 레이저 강도로도 Au 나노입자에 레이저를 조사함으로써 ²³²Th 핵에서 핵반응이 성공적으로 유도되었다.
• H₂O와 D₂O 환경 간에 반응 경로와 수율이 상당히 다름으로써, 용매에 의존하는 반응 역학이 존재함을 시사한다.
• 용액을 H₂ 또는 D₂ 기체로 포화시킴으로써 핵반응 수율이 향상되어 저강도 레이저 조건에서도 감지 가능한 반응이 가능해졌다.
• 레이저 조사 종료 후 수 시간 동안 지속적인 감마 활성 증가가 관찰되어 장수명 반응 생성물이 존재함을 나타낸다.
• D₂O와 D₂ 기체에 존재하는 중수소는 별개의 핵반응 서명을 유도하여, 가능성이 있는 중수소 이온 유도 반응 과정을 시사한다.
• 결과적으로, 수용성 토륨 용액에서 레이저 조사된 나노입자를 이용해 저임계 조건에서 핵반응을 유도할 수 있는 잠재적 경로를 제시한다.