[论文解读] 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)|Jun 23, 2009

Catalysis and Oxidation Reactions被引用 5

一句话总结

本研究利用金纳米颗粒悬浮于硝酸钍(Th(NO₃)₄)水溶液中，探究激光诱导的钍-232核反应。在激光强度低至10¹⁰ W/cm²的照射下，辐照后观察到增强的伽马活性，且在H₂O与D₂O环境中反应路径存在显著差异，尤其在饱和H₂或D₂气体时更为明显。

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.

研究动机与目标

• 探究通过金纳米颗粒的激光照射启动²³²Th核反应。
• 研究溶剂环境（H₂O与D₂O）对核反应路径的影响。
• 确定在低激光强度下，气体饱和（H₂或D₂）是否能增强核反应产率。
• 检查激光照射后核活性的持续性，特别是伽马活性随时间的变化。
• 评估在激光强度低至10¹⁰ W/cm²的条件下，实现核嬗变的可行性。

提出的方法

• 使用脉冲激光光束照射悬浮于水相Th(NO₃)₄溶液中的金纳米颗粒，激光强度低至10¹⁰ W/cm²。
• 采用H₂O和D₂O作为溶剂，以比较反应路径与产率。
• 对液相介质进行H₂或D₂气体饱和，以探究氘核或质子在核反应中可能的参与作用。
• 在激光照射期间及照射后测量溶液中的伽马射线活性，以检测核反应产物。
• 通过控制不同溶剂与气体条件下的伽马活性水平，进行对比分析，以分离反应机理。
• 采用标准伽马能谱技术识别并量化辐照后的放射性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Th(NO₃)₄溶液中，金纳米颗粒的激光照射能否引发²³²Th中可测量的核反应？
• RQ2 溶剂（H₂O与D₂O）如何影响激光诱导核反应的产率与路径？
• RQ3 在低激光强度下，溶液饱和H₂或D₂气体是否能提高核反应发生的概率？
• RQ4 激光照射后是否存在持续的伽马活性？其持续时间有多长？
• RQ5 在此体系中，能否在激光强度低至10¹⁰ W/cm²的条件下触发核嬗变？

主要发现

• 在激光强度低至10¹⁰ W/cm²的条件下，成功诱导了²³²Th核的核反应。
• H₂O与D₂O环境中的反应路径与产率存在显著差异，表明反应动力学具有溶剂依赖性。
• 溶液中H₂或D₂气体的饱和显著提高了核反应产率，使在低激光强度下仍可检测到核反应。
• 激光照射结束后数小时内，探测器中观察到伽马活性持续升高，表明生成了长寿命的反应产物。
• D₂O和D₂气体中氘的存在导致了独特的核反应特征，提示可能存在氘核诱导的反应过程。
• 结果表明，利用激光照射的纳米颗粒在水相钍溶液中实现核反应存在一种潜在的低阈值途径。