home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1993 #3 / NN_1993_3.iso / spool / sci / physics / fusion / 3371 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-01-21  |  9.2 KB

  1. Path: sparky!uunet!usc!howland.reston.ans.net!sol.ctr.columbia.edu!hamblin.math.byu.edu!yvax.byu.edu!physc1.byu.edu!jonesse
  2. Newsgroups: sci.physics.fusion
  3. Subject: <None>
  4. Message-ID: <1993Jan21.153047.359@physc1.byu.edu>
  5. From: jonesse@physc1.byu.edu
  6. Date: 21 Jan 93 15:30:46 -0700
  7. Distribution: world
  8. Organization: Brigham Young University
  9. Lines: 188
  10.  
  11.  
  12.  
  13. Dieter Britz and Jim Carr have recently asked for clarifications on my
  14. comments regarding distinctions between "cold" and "hot" fusion (see
  15. "Quick Replies" by me and "Re:  Quick Replies" by Dieter and Jim).
  16. I think I have time this p.m. to hammer out a response with apologies for
  17. the delay.
  18.  
  19. It will be helpful to juxtapose potential energy curves vs. separation for
  20. the deuteron (d) plasma (hot fusion) case and the muonic molecular d-d-mu
  21. (cold fusion) case.  What is now called "cold fusion" MAY be similar to
  22. one of these, but I really don't know if recent experimental results fit
  23. into either category.  But plasma fusion and muon-catalyzed fusion are real
  24. and the distinctions are instructive to scrutinize.  Warning:  the plots
  25. are not to scale.
  26.  
  27.          POTENTIAL ENERGY:  PLASMA D-D FUSION
  28. |
  29. |  =
  30. |  =+
  31. |  = +
  32. |  =  +
  33. |  =   +
  34. |  =    +
  35. |  =     +
  36. |  =      +
  37. |  =  T1<-- +    E= 4 keV
  38. |  =          +
  39. |  =             +
  40. |  =                    +       _     _
  41. |+0---------------------------------      d-d separation (r)
  42. |  =
  43. |  =
  44. |  =
  45. |  =
  46. |  =
  47. |  =
  48. |  =
  49. |  =
  50. |  =
  51. |  =
  52. |  =
  53.   \ Strong nuclear reactions take over at few fermi separation-->fusion 
  54.  
  55.                   POTENTIAL ENERGY VS R FOR MUONIC DD MOLECULE (BOUND)
  56. |  =
  57. |  =+
  58. |  = +
  59. |  =
  60. |  =  +
  61. |  =
  62. |  =   +
  63. |  =
  64. |  =    +
  65. |  =
  66. |  =     +
  67. +0------------------------------------------_------------ d-d separation (r)
  68. |  =      +               +      +
  69. |  =  T2 <-- +         + <-- binding energy of ground d-d-mu state = 325 eV
  70. |  =             +      <-- depth of Born-Oppenheimer potential = 557 eV
  71. |  =
  72. |  =
  73. |  =
  74. |  =
  75. |  =
  76. |  =
  77. |  =
  78. |  =
  79.   \Fusion at r = few fermi
  80.  
  81. My picture may be semi-classical, but I assert that we can learn
  82. much about cold vs hot fusion from the plots.  Tunnelling through the Coulomb
  83. potential barrier is important for both bound and plasma cases:  note that
  84. even for hot fusion, very few collisions are of sufficiently high energy to
  85. surmount the barrier, for plasmas at say 10E7 kelvin.
  86.  
  87. The binding of the nuclei by muons clearly changes the WIDTH of the potential
  88. well, as well as permitting frequent collisions of the deuterons so bound.
  89. Excuse, Jim, the "classical" picture, but the fact is that the vibrational
  90. frequency of a molecule is a relevant and observable quantity.  I do not
  91. understand the vigorousness of your objection.  We can calculate the tunnelling
  92. integral and multiply by the vibrational frequency of the molecule to determine
  93. the d-d fusion rate, in a semi-classical approach.  Or, we can follow the
  94. "pure" quantum-mechanical route of calculating the complex wavefunction over
  95. ALL space, then calculate the probability of fusion.  I spoke
  96. to Jim Cohen of Los Alamos this morning who has gone through the latter
  97. approach (the more difficult method), and he said that the difference in
  98. calculated rates is only about 20%.  He and I both defend the semi-classical
  99. approach as useful calculationally as well as pedagogically.  Jim Carr is
  100. correct that Clint Van Siclen and I used a semi-classical approach in 1985
  101. in our paper on "Piezonuclear fusion in isotopic hydrogen molecules" (J.
  102. Physics G12:213-220 pub'd 1986) as did David Jackson in his classic 1957 paper,
  103. and Steve Koonin in his follow-up to the Van Siclen/Jones paper.
  104.  
  105. Cohen went further:  he contrasts the fusion rates in D2+ (bound by electrons,
  106. a la Van Siclen and Jones 1986 paper) with that of (d-d-mu)+.  The
  107. rate for the muonic molecule is faster for two reasons:
  108. 1-Shorter internuclear distance (see plot above:  binding decreases the
  109.    d-d separation by the electron/muon mass ratio = 207, from about 1 angstrom
  110.    to about 4X10-3 angstroms)
  111. 2-Increased vibrational frequency in the muonic molecular ion  - this 
  112.     increases the fusion rate by a factor of about 3000, Cohen calculates.
  113.     Clearly, the vibrational frequency in the BOUND molecule is important.
  114.  
  115. Note that in the plot for plasma fusion above, the nuclei are unbound.  This
  116. is an important distinction WRT the bound or "cold" fusion case.  In the 
  117. D2 molecule (neutral), the equilibrium separation distance R is about 0.74
  118. angstroms.  When a d-d-mu molecular ion forms (we tire of saying this always
  119. and often just say muonic molecule), the internuclear distance shrinks to
  120. about 4X10E-3 angstroms.  In the ground state of d-d-mu, the zero-point energy
  121. is (557-325) = 232 eV.  Screening of the coulombic repulsion by the negative
  122. muon causes the WIDTH of the barrier to decrease.  This is important since
  123. the tunnelling probability varies roughly as 
  124.       EXP[- barrier height X (width)E2].
  125. This holds for a square barrier; for the Coulombic barrier, we see that
  126. decreasing the width increases the tunnelling rate more than would decreasing
  127. the barrier height.    
  128.    
  129. Without the effects of screening, that is for bare, unbound nuclei, a 
  130. center-of-mass energy of about 4000 eV would be required to allow the nuclei
  131. to approach to 4X10-3 angstroms.  This energy is reached in plasmas of approx.
  132. 4 X 10E7 kelvin, which is achieved in "hot" fusion devices like TFTR.  Thus,
  133. binding of the nuclei allows "cold" fusion to proceed rapidly without the
  134. need for high temperatures.  BOTH proceed primarily by tunnelling through the
  135. Coulomb barrier.  Thus, on the plots above I show T1 for tunnelling in the
  136. hot fusion case occuring at an energy of 5 keV, while tunnelling T2 in the
  137. cold fusion case occurs at a much lower energy.
  138.  
  139.   Therefore, I object to statements such as this which appear
  140. commonly in physics texts:  
  141. "To obtain energy from fusion, the particles must be heated to a temperature
  142. great enough for the fusion reaction to occur as the result of random thermal
  143. collisions."  (Tipler, p. 1353, "Physics for scientists and engineers", 1991.)
  144.  
  145. Note the distinction between random thermal collisions and collisions of
  146. nuclei bound in a molecule.
  147.  
  148. I have endeavored to clarify the distinction between "hot" and "cold" fusion.
  149. Other short discussions of the same subject are found in:
  150. 1. L. Ponomarev, "Muon cataysed fusion," Contemporary Physics, 1990, 31:219-245;
  151. 2. J. S. Cohen and J. D. Davies, "The cold fusion family," Nature 338:705-707,
  152.      27 April 1989 (same issue as the original BYU experimental paper, in which
  153.      we say:
  154.   "When a current is passed through palladium or titanium
  155. electrodes immersed in an electrolyte of deuterated water and various metal
  156. salts, a small but significant flux of neutrons is detected.  Fusion of 
  157. deuterons within the metal lattice MAY BE THE EXPLANATION."  (Emphasis added.)
  158.  
  159. The principal idea behind the 1986 paper (replying to Dieter) was that for
  160. fusion in bound electronic molecules, the fusion rate might be increased by
  161. distortion  of the molecular potential by subjecting the molecules to extreme
  162. pressures.  I had the idea of considering the possible of piezonuclear fusion
  163. inside Jupiter (which we then included in the Van Siclen/Jones paper pub'd 
  164. 1986).  BYU Prof. Paul Palmer extended the idea to possible fusion
  165. inside the earth when I discussed the piezonuclear (or electron-catalyzed)
  166. fusion idea at BYU colloquium on March 12, 1986.  Our lab experiments began
  167. at BYU based on these ideas in May 1986, and have continued to this date.
  168. We began with electrolysis in D2O in May 1986 and added D2 gas pressure loading
  169. in June 1986.  We have experimented with diamond-anvil cells holding deuterided
  170. metals Pd and Ti as well as LiH and LiD, but only at approx. 150 kbar.  The
  171. diamond-anvil cell holding LiH and LiD reached 1.8 mbar but then the diamonds
  172. cracked.  We have not yet studied metallic hydrogen isotopes, but I am anxious
  173. to try this difficult experimental program.  Note that these concepts,
  174. including the use of diamond-anvil cells and metallic hydrogen and fusion in
  175. the planets, are all outlined in the original Van Siclen/Jones paper which we
  176. wrote by June 1985, long before any of us heard of Pons/Fleischmann.  Our work
  177. with electrolysis began in May 1986 (with nominal funding from DOE in fact).
  178. Our research, therefore, should not be confused with P/F -- PLEASE.
  179.  
  180. Thanks, Dieter, for finally including the Van Siclen / Jones paper in your
  181. list of early works related to cold fusion.  But let's not associate this
  182. with Pons and Fleischmann.  Can't we all see the difference?  We
  183. understand the difference between hot and cold fusion, now, hopefully.  And
  184. the distinction between muon- and electron- catalyzed fusion seems transparent.
  185. No one sees enough neutrons OR helium OR gammas OR tritium (I could go on to
  186. include any products of nuclear reactions) to justifiably associate claimed
  187. xs heat with nuclear reactions.  So why throw the BYU work in with P/F claims?
  188.    PLEASE HELP STOP THIS NONSENSE.
  189. The distinction is clear in Huizenga's book and Frank Close's, but uncritically
  190. muddled in Mallove's (which I profoundly resent).  It seems that believers in
  191. the unfounded notion that xs heat as claimed by P/F is nuclear  USE the
  192. low-level nuclear findings of the BYU group and others to support their claims.
  193. To me, this is grossly unfair and fallacious.  I will continue to fight such
  194. nonsense.
  195.  
  196. Respectfully,
  197. Steven E. Jones
  198.  
  199.