Art.92a — Calcolo delle condizioni teoriche per realizzare esperimenti pratici di fusione fredda — Antonio Dirita

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Quando come catodo vengono impiegati elementi pesanti come il tungsteno, che presentano un gran numero di deutoni sui livelli
periferici, esiste anche la probabilità non trascurabile che il deutone sintetizzato in orbita abbia energia di eccitazione sufficiente per
realizzare la fusione con un deutone vicino con la formazione di una particella  α .
Questo processo ha però possibilità di realizzarsi solo se l’energia che viene liberata da tutto il processo è maggiore di quella richiesta dalla
particella α per raggiungere la velocità di fuga dall’orbita sulla quale è stata sintetizzata.
Nel caso del tungsteno abbiamo i due isotopi W₇₄¹⁸³ e W₇₄¹⁸⁴ che hanno già una tendenza naturale ad emettere particelle α
e quindi la probabilità che il processo si verifichi risulta particolarmente alta.

Per capire quali siano le reazioni nucleari che si verificano, si deve tenere presente che il nucleo atomico, secondo il modello che abbiamo
elaborato, è una fornace in cui si hanno particelle confinate in spazi molto piccoli, con energia cinetica equivalente a temperature
di decine di miliardi di gradi, dunque molto più estreme di quelle che si verificano nelle stelle.

In queste condizioni le reazioni nucleari che nel vuoto hanno probabilità quasi nulla di
realizzarsi, avvengono con estrema facilità.

Nel nostro caso il neutrone sintetizzato nello spazio interstiziale del catodo si sposta sul sesto livello dell’isotopo W₇₄¹⁸³ e sintetizza

un deutone liberando la energia  En∞/6 = 5.3769 MeV Il nucleo che si ottiene è quello dell’isotopo  W₇₄¹⁸⁴  fortemente
eccitato.
L’energia di eccitazione disponibile è più che sufficiente per favorire la fusione tra due deutoni presenti sulla stessa orbita, quindi già molto
vicini, con la sintesi di una particella α e sviluppo dell’energia :

                                     EDD = EHe – 2⋅E= 23.8464 MeV

L’energia complessivamente disponibile risulta così :

                                       Ed = En∞/6 + EDD = 29.2233 MeV

L’energia necessaria alla particella α per raggiungere la velocità di fuga dal sesto livello, dunque per abbandonare il nucleo, vale :
         
Essendo Eα6/∞ ≤ Ed , la particella esce dal nucleo con l’energia cinetica :    Eα = E– Eα6/∞ = 13.5739 MeV

Il nucleo residuo ha la configurazione.

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms  n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
W₇₄¹⁸⁰ 74n 2+0 8+0 18+0 10+11 0+20 0+3 0+0

con coefficiente di riempimento            
calcolabile anche con la relazione approssimata       = 5,89067
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Il numero di neutroni attivi è rimasto invariato e quindi lo sarà anche lo spazio rotante nucleare generato, mentre il numero di particelle
presenti sulle orbite è diminuito di due unità.
Abbiamo dunque un sistema squilibrato con due neutroni attivi eccedenti.  Si ha quindi un
trasferimento spontaneo, dunque con liberazione di energia, di due neutroni attivi dal centro al quarto livello dove sintetizzano due deutoni
con i protoni presenti. L’energia liberata da questa operazione risulta (   Art.87    ) :
     
numericamente :                                                         E2n0/4 = 3.1648 MeV

Il nucleo che si ottiene risulta con la configurazione :

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms  n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
Hf₇₂¹⁸⁰ 72n 2+0 8+0 18+0 8+13 0+20 0+3 0+0

il quarto livello risulta sovrassaturo con due masse eccedenti e quindi, usando l’energia disponibile, eccita un deutone, che si sposta
sul sesto livello. L’energia assorbita risulta :
           
Essendo   ED4/6 ≥ E2n0/4   , si realizzano prima i trasferimenti di assestamento e dopo viene emessa la particella  α  , per cui la
sua energia cinetica sarà :
                                   E = Eα + E2n0/4 – ED4/6 = 7.0724 MeV

Si ottiene così l’isotopo stabile Hf₇₂¹⁸⁰ con la seguente configurazione.

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms  n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
(( 1447. 04)/(1446. 3)) Hf₇₂¹⁸⁰ ((179.94575)/(179.94655)) 72n 2+0 8+0 18+0 8+12 0+20 0+4 0+0 ((st)/(35.08%))

L’isotopo  W₇₄¹⁸⁴ si comporta nella stessa maniera e quindi il calcolo non verrà ripetuto. In questo caso l’isotopo finale risulta però

Hf₇₂¹⁸¹
che, dopo un tempo di 43.39 giorni, si trasforma inTa₇₃¹⁸¹, stabile, aumentando le tracce prodotte dal W₇₄¹⁸⁰.

 

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms  n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((1 451. 43)/(1452. 0)) Hf₇₂¹⁸¹ ((180.94970)/(180.949101)) 72n 2+0 8+0 18+0 6+13 1+19 0+5 0+0 ((1.0347M)/(β⁻42.39d))

Nell’analisi che abbiamo fatto, sono state considerate solo alcune reazioni e con qualche semplificazione del percorso reale, senza
modificare i risultati.
Lo pseudoneutrone che interagisce con la periferia del nucleo, in prevalenza popolata da deutoni, ha anche una elevata
probabilità di interagire con uno di essi, formando trizio, secondo la reazione :

                          H₁² + (H₁¹ – E+ E0e ) → H₁³ + γ(4.96391 MeV)

         

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dopo la sintesi l’energia che si rende disponibile vale dunque :            Ed = En∞/6 + E= 8.87627 MeV

L’energia di estrazione del trizio dal sesto livello vale :
               
Essendo    ET6/∞ > Ed     il trizio non può uscire dal nucleo e quindi rimane sulla orbita con una elevata energia di eccitazione.

Dato che sulla stessa orbita, dunque a piccola distanza, vi sono altri deutoni, si ha una buona probabilità che si verifichi sull’orbita anche
la reazione :
                          H₁³ + H₁² → He₂⁴(3,52 MeV) + n(14,07 MeV)

L’energia complessivamente disponibile risulta a questo punto :

                        Ed1 = Ed + 3,52 MeV + 14,07 MeV = 26.46627 MeV

L’energia necessaria all’elione e al neutrone prodotti per superare la velocità di fuga risulta :
         
La particella   α  e il neutrone abbandonano quindi il nucleo con l’energia:

Eαn = Ed1 – Eαn6/∞ = 6.90446 MeV

ripartita in rapporto inverso alle masse e quindi :      α (1.380892 MeV)   ;   n (5.523568 MeV)

Naturalmente, il neutrone prima di uscire dal catodo può dare origine ad altre reazioni. In ogni caso, come prodotto finale, dal nucleo può
uscire solo la particella   α  , l’unico aggregato con energia di legame tale da consentire di superare la velocità di fuga.
Con la stessa probabilità, si verificano anche le reazioni :

                                   H₁² + H₁² → H₁³(1,01 MeV) + p(3,02 MeV)

                                   H₁² + H₁² → He₂³(0,82 MeV) + n(2,45 MeV)

che, dopo molti passaggi approdano sempre alla sintesi di un elione.

Nella prima serie di esperimenti verranno presi in considerazione verranno utilizzati catodi di tungsteno  (Z = 74) , cadmio  (Z = 46),
molibdeno  (Z = 42) , mercurio  (Z = 80)  e  uranio  (Z = 92) .

Come elettrolita utilizziamo carbonato di potassio K₂CO₃ in soluzione con acqua bidistillata (per uso farmaceutico) in concentrazione
C= 0.1 M .

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Calcoliamo quindi la quantità di soluto da sciogliere in un litro di soluzione, in prima approssimazione coincidente con un litro d’acqua.
Una mole di K₂CO₃ equivale a un peso in grammi :

                                        M(g= 2 ⋅ 39 + 1 ⋅ 12 + 3 ⋅ 16 = 138 g

In un litro d’acqua, per avere la soluzione 0.1 M , si aggiungerà la quantità di soluto :

                                       m= CM⋅ M(g) = 0.1⋅138 g = 13.8 g
Calcoliamo dunque il pH iniziale della soluzione vergine.
Le costanti di dissociazione dell’acido carbonico   H₂CO₃  , dal quale deriva il carbonato, sono :

               Ka2= 4.7⋅10⁻¹¹   per la reazione    CO₃⁻⁻+ H₂O → HCO₃⁻+ OH⁻

               Ka1= 4.3⋅10⁻⁷    per la reazione    HCO₃⁻+ H₂O → H₂CO₃+ OH⁻

le costanti di equilibrio associate risultano :

La costante di equilibrio della seconda reazione è trascurabile rispetto alla prima e quindi consideriamo solo la prima dissociazione.
La concentrazione degli ioni  OH⁻ risulta :
   
risulta dunque :       pOH =– log [OH⁻] = 2.349 e quindi : pH = 14 – pOH = 11.651

L’assorbimento di ioni H⁺ causa un aumento del pH rispetto a questo valore e può essere assunto come indice dell’assorbimento di
idrogeno da parte del catodo.
In base ai modelli nucleari noti, se due nuclei presentano lo stesso numero di protoni, di
neutroni e la stessa energia di legame, risultano
indistinguibili e quindi sono equivalenti,
qualunque sia la configurazione assunta dai neutroni e protoni componenti.

Se vengono fissati questi tre parametri, in particolare l’energia di legame, il passaggio da una configurazione all’altra si realizza
spontaneamente, senza spendere o liberare energia.

Questo significa che, se due nuclei  A₁(Z₁ ; N₁)   A₂ (Z₂ ; N₂) , con energia di legame  E₁ e E₂  , si avvicinano fino ad

una distanza uguale a R₁₂ , legandosi con l’energia E₁₂ , formeranno un sistema legato avente  Z = (Z₁ + Z₂) protoni e

N = (N₁ + N₂)  neutroni con un valore di energia di legame complessivo dato da

                                                 EA = E₁ + E₂ + E₁₂

e sarà assolutamente indistinguibile dal nucleo  A(Z ; N)  avente un’energia di legame uguale a  E.

In base a questa semplice osservazione, possiamo fare il discorso inverso e calcolare il valore della distanza R₁₂ alla quale si dovranno

avvicinare i due nuclei   A₁ e A₂  per realizzare la fusione del nucleo  A(Z ; N.

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Nota l’energia di legame  EA del prodotto della fusione, l’accostamento  R₁₂ deve essere tale da fornire un’energia di legame tra i
nuclei iniziali data da :
                                                E₁₂ = EA – (E₁ + E₂)

Secondo le teorie correnti, essendo l’energia repulsiva di natura coulombiana data da :
         
fissata la distanza R₁₂ che si deve raggiungere per produrre l’interazione tra i nuclei, la scelta più opportuna ricade su bassi valori di Z

e in particolare su Z = 1 , che fornirebbe il valore minimo della forza di repulsione.

Se fissiamo per il proiettile Z₁ = 1 , utilizzando un nucleo atomico qualsiasi, secondo il nostro modello nucleare, si ha
   
e quindi l’energia di repulsione diventa :
           
L’ultima frazione è sempre minore di 1 . Per esempio, per l’uranio si ottiene
 
I nuclei pesanti risultano dunque molto più convenienti di quelli leggeri.

E’ chiaro che la fusione sarà fisicamente realizzabile con sviluppo di energia solo se risulta :           R₁₂ ≥ (RZPs1 + RZPs2)
dove con RZPs abbiamo indicato il raggio di sponda del nucleo.

Se risulta  R₁₂ ≤ (RZPs1 + RZPs2quando i due nuclei arrivano alla distanza di confine  R₁₂∗ = (RZPs1 + RZPs2)

formano ” un sistema “ con un’energia di legame E₁₂ non sufficiente per sintetizzare il nucleo   A(Z ; N)  e quindi la fusione non
si verifica.
Per poterla realizzare è necessario che essi giungano alla distanza  R₁₂ con un’energia di eccitazione uguale alla differenza

Eecc = E₁₂ – E₁₂  che verrà utilizzata per produrre l’ulteriore accostamento richiesto.
In definitiva, i nuclei devono partire già con un’energia iniziale di eccitazione uguale a  Eecc , che coincide con il valore di energia che

verrebbe liberata da una eventuale scissione ( fissione ) del nucleo prodotto  A(Z ; N)  in quelli di partenza   A₁(Z₁ ; N₁) e
A₂ (
Z₂ ; N₂) .

A titolo puramente esplicativo, consideriamo alcune possibili fusioni di nuclei leggeri, realizzabili utilizzando la pressione equivalente che
viene esercitata dagli ioni sugli elettrodi in una cella elettrolitica.

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1 — elettrodi in rame ed elettrolita ” carbonato di potassio “  K₂CO₃

Con opportune condizioni di lavoro della cella elettrolitica, al catodo si potrà favorire l’assorbimento di ” idrogeno ” da parte dell’isotopo
Cu₂₉⁶³ che presenta un protone sul quinto livello.

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms   n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((551. 168)/(551. 38)) Cu₂₉⁶³ ((62.92983)/(62.92960))  29n 2+0 8+0 12+3 1+2 1+0 0+0 0+0 ((st)/(69.15%))
((558. 701)/(559. 30)) Cu₂₉⁶⁴ ((63.93041)/(63.92976))  29n 2+0 8+0 12+3 0+3 1+0 0+0 0+0 ((1.67439M)/(ce12.701h))

L’assorbimento di un protone ( e un elettrone eccitato ) sul quarto livello, con il protone presente, sintetizza un deutone che si ferma
sull’orbita e libera una quantità di energia come radiazione  γ ( l’energia netta liberata si ottiene sottraendo l’energia di eccitazione
dell’elettrone   E= 0,782291 MeV
 , che è stata fornita inizialmente) data da :
                 
in buon accordo con il valore dell’energia di estrazione sperimentale di un neutrone dall’isotopo  Cu₂₉⁶⁴.

L’isotopo Cu₂₉⁶⁴ che viene sintetizzato tende a catturare elettroni k per dare l’isotopo stabile del nichel Ni₂₈⁶⁴ con la seguente
configurazione  (   Art.77.28    )

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms   n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((558. 701)/(559. 30)) Cu₂₉⁶⁴ ((63.93041)/(63.92976)) 29n 2+0 8+0 12+3 0+3 1+0 0+0 0+0 ((1.67439M)/(ce12.701h))
((558. 614)/(561. 76)) Ni₂₈⁶⁴ ((63.93134)/(63.92796)) 28n 2+0 8+0 10+4 0+4 0+0 0+0 0+0 ((st)/(0.9256%))

Si realizza così la trasmutazione :                  Cu₂₉⁶⁴ + e → Ni₂₈⁶⁴ + γ(1.67439 MeV)

Il periodo di dimezzamento del  Cu₂₉⁶⁴  vale 12.701 h , sufficientemente lungo da consentire con molta facilità la cattura di un
altro protone più elettrone sul quinto livello dove, con il protone presente, viene sintetizzato un deutone che si sposta sul quarto livello ,
sintetizzando così l’isotopo stabile Cu₂₉⁶⁵ :

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms   n 1   2    3    4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((558. 701)/(559. 30)) Cu₂₉⁶⁴ ((63.93041)/(63.92976)) 29n 2+0 8+0 12+3 0+3 1+0 0+0 0+0 ((1.67439M)/(ce12.701h))
((5 68. 147)/(569. 21)) Cu₂₉⁶⁵ ((64.92893)/(64.92779)) 29n 2+0 8+0 12+3 0+4 0+0 0+0 0+0 ((st)/(30.85%))

L’energia fornita dalla trasmutazione Cu₂₉⁶⁴ → Cu₂₉⁶⁵ risulta :

complessivamente :
                                       E64/65 = ED5 + ED5/4 = 8.66901 MeV

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All’anodo si ha la formazione di ossigeno atomico, di cui consideriamo gli isotopi più abbondanti, che si presentano con le configurazioni :

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms   n 1   2    3   4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((126. 340)/(127. 62)) O₈¹⁶ (15.99629)/(15.994915)   8n 2+0 6+0     0+0 0+0 0+0 0+0 0+0 ((st)/(99.757%))
((1 38. 797)/(139. 81)) O₈¹⁸ (18.00024)/(17.999161)   8n 2+0 4+1     0+1 0+0 0+0 0+0 0+0 ((st)/(0.205%))

Se, invertendo le polarità del generatore, si scambiano fra loro l’anodo con il catodo, la superficie attiva dell’anodo diventa molto
più piccola di quella del catodo e quindi diventa molto alta la densità degli ioni che impattano l’anodo.

E’ quindi possibile che i due isotopi dell’ossigeno  O₈¹⁶ e O₈18  riescano ad interagire legandosi fra
loro per dare origine alla reazione di fusione :

                                     (O₈¹⁶ + O₈¹⁸) + E₁₆₋₁₈ → A(16 ; 34)

Se l’energia di legame dell’aggregato   A(16 ; 34 risulta coincidente con il valore dell’energia di legame dell’isotopo S₁₆³⁴ ,
ES34 = 291. 84
MeV ,
potrà essere identificato come isotopo dello zolfo ( perchè è da esso indistinguibile ) , che presenta la
configurazione:

Ec(MeV)/Es(MeV)  Sa    mc/ms   n 1   2    3   4     5    6   7   Ep(eV)/(p -T1/2)
((288. 222)/(291. 84)) S₁₆³⁴ ((33.97175)/(33.967867)) 16n 2+0 8+0 4+2 0+0 0+0 0+0 0+0 ((st)/(4.25%))

Affinchè questo si verifichi, è necessario che gli isotopi dell’ossigeno, con l’accostamento raggiunto, siano legati da un’energia pari a :

                                E₁₆₋₁₈ = ES34 – EO16 – EO18 = 24.41 MeV

utilizzando l’espressione della forza universale  (   Art.18    ), l’energia che lega i due nuclei in equilibrio alla distanza R16/18 è uguale a
metà del lavoro che si compie per avvicinarli, espressa teoricamente dall’espressione :

 
da cui si ricava :

Questo valore coincide con ” il raggio di sponda ” dell’aggregato formato dal nucleo di raggio minore   O₈¹⁶  in orbita sul quinto livello
dell’isotopo O₈¹⁸ .

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Con l’espressione teorica si ricavano infatti i raggi di confine :

e quindi :
                                   R16/18 = RZP5 + RZP2 = 3343.12⋅10⁻¹⁵ m

Il valore dell’energia di legame che si ottiene con un accostamento dei nuclei fino al quinto livello vale :

Dato che entrambe le configurazioni si realizzano con la stessa probabilità, assumiamo il valore medio :

praticamente coincidente con il valore teorico richiesto.
I due nuclei di ossigeno sono dunque in grado di realizzare la fusione, con la sintesi dell’isotopo S₁₆³⁴, già ad una distanza R16/18
di gran lunga maggiore della somma dei raggi di confine, che vale :

Dopo l’accostamento alla distanza  R16/18  si verificano spontaneamente delle transizioni interne di assestamento, che organizzano la
struttura dell’isotopo S₁₆³⁴ , secondo la configurazione vista, senza ulteriore dispendio di energia.
Anche in questo caso la fusione sviluppa l’energia   E₁₆₋₁₈ = 24.41 MeV   sotto forma di radiazione γ .

Dato che lo zolfo che si forma all’anodo si trova in presenza di acqua e ossigeno,  viene sintetizzato acido solforico , per cui,
l’anodo di rame viene ossidato e attaccato, con formazione di solfato. Pur essendo eventualmente presente solo in tracce, la colorazione
della soluzione, in prossimità dell’anodo può denunciare la presenza del nuovo sale.
Dato che la radiazione γ emessa è molto penetrante, attraversa praticamente tutta la cella e giunge all’esterno senza un’apprezzabile
attenuazione.

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 Art.92a — Calcolo delle condizioni teoriche per realizzare esperimenti pratici di fusione fredda — Antonio Dirita

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