Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Понятно, что с плутонием связано большое число интересных и важных проблем физики конденсированного вещества. Лос-Аламосская лаборатория -одна из немногих лабораторий в мире, в которой могут проводиться эксперименты с плутонием, и, конечно же, одной из наших задач является понимание свойств этого металла. Мы оказались на границе новой физики, и настоящий выпуск журнала Los Alamos Science - ваш путеводитель по этой границе. ¦
ЛИТЕРАТУРА
Laughlin, R. В., G. G. Lonzarich, Р. Monthoux, and D. Pines. “The Quantum Criticality Conundrum” (submitted to Phys. Rev. Lett.).
Mathur, N. D., F. M. Grosche, S. R. Julian,
I. R. Walker, D. M. Freye,
R. K. W Haselwimmer, and G. G. Lonzarich.
1998. Nature 394: 39.
Sachdev, S. 2000. Science 288: 475.
Saxena, S. S., P. Agarwal, K. Ahilan,
F. M. Grosche, R. K. W. Haselwimmer,
M. J. Steiner et al. 2000. Nature 406: 587.
129
Мы получили этот контурный график электронной плотности а-плутония из первых принципов, используя ТФП. Параллелепипедом обозначена простая моноклинная элементарная ячейка, содержащая 16 атомов. Контурами показана область дополнительного накопления заряда за пределами связей в а-плутонии, которое свидетельствует, что образование ковалентных связей не является преобладающим
130
Los Alamos Science Number 26 2000
Свойства актиноидов в основном состоянии Теоретические прогнозы
В течение почти пятидесяти лет актиноиды не поддавались усилиям специалистов-теорети-ков по твердому телу понять их свойства. Эти металлы относятся к наиболее сложным из долгоживущих элементов, и в твердом состоянии они проявляют некоторые черты наиболее необычного поведения из всех рядов периодической таблицы элементов. Очень низкие температуры плавления, большие коэффициенты анизотропного термического расширения, очень низкая симметрия кристаллических структур, множество фазовых переходов в твердом состоянии- этот перечень обескураживает. Как можно понять все это?
За последние 10 лет вместе с нашими коллегами мы добились успехов в расчетах и понимании свойств легких актиноидов в их основном состоянии, или в состоянии с наименьшей энергией, особенно свойств их связи и структуры. У всех металлов, включая легкие актиноиды, электроны проводимости создают силы межатомного взаимодействия, которые связывают атомы вместе. У легких актиноидов это электроны s, р, d уровней валентности, а также электроны уровня 5f, которые вносят вклад в химическую связь. Когда они являются валентными электронами в изолированных атомах, электроны 5f уровня имеют орбитальный угловой момент I = 3 и вращаются по орбите вокруг ядер атомов со скоростью, приближающейся к скорости света1. Считается, что в твердом теле эти электроны, или по крайней мере их часть, совместно используются всеми атомами в кристалле. Следовательно, предполагается, что они участву-
1 Скорость 5f электронов в атомах актиноидов едва ли превышает ОД скорости света (Прим. ред. перевода).
Джон М. У иле и Олле Эриксон
ют в связи. Более того, предполагается, что их релятивистское движение и элек-трон-электронные корреляции - т. е. взаимодействия между электронами уровня 5f и между ними и другими электронами - влияют на связь.
Низкосимметричные структуры кристаллов, релятивистские эффекты и электрон-электронные корреляции трудно объяснить в традиционных расчетах электронной структуры металлов, и до последнего десятилетия это выходило за пределы реальной вычислительной возможности. Однако сейчас очень важна правильная трактовка этих эффектов, чтобы понять физику актиноидов. Электрон-электронные корреляции очень важны при определении степени, с которой 5f электроны локализованы в узлах решетки. Если они локализованы, тогда 5f электроны подобны атомным электронам и не вносят вклад в химическую связь; если они не локализованы, они являются электронами проводимости и вносят вклад в связывание. Многие фундаментальные свойства актиноидов зависят от свойств 5f электронов и от того, являются ли эти электроны локализованными или нет.
В течение последних 10-15 лет, однако, произошла миниреволюция в расчетах электронных структур. Стали возможными расчеты на основе первых принципов (т. е. без ввода экспериментальных данных) и с высокой точностью полной энергии в основном состоянии для большинства сложных твердых тел, включая актиноиды. Теория функционала плотности (ТФП) (Hohenberg, Kohn 1964, Kohn, Sham 1965), вариационная формулировка задачи об электронной структуре позволили осуществить это. ТФП дает строгое описание полной энергии электронов твердых тел
в основном состоянии, молекул и атомов в зависимости от плотности электронов. Прогнозы ТФП оказали такое большое влияние на базовые исследования в области химии и физики твердого тела, что Уолтер Кон, основной автор теории, получил в 1998 году Нобелевскую премию по химии.
В общем случае невозможно применить ТФП без некоторого приближения. Ho многие годы интенсивных исследований дали надежные приближенные выражения для полной энергии, где все члены, за исключением члена кинетической энергии отдельной частицы, могут быть записаны в форме функционала локальной плотности электронов. Даже сложный электрон-электронный обменный член, возникающий из принципа запрета Паули, и электростатическое электрон-электронное взаимодействие могут быть аппроксимированы таким способом. Это усовершенствование, получившее название приближения локальной плотности (ПЛП), дало более точные результаты, чем можно было мечтать. Мы разработали подход, алгоритмы и программное обеспечение для выполнения эффективных и точных расчетов2. Эффективность позволяет нам получать решения для произвольных геометрий, включая низкую кристаллическую симметрию и сложные элементарные ячейки, и варьировать входные данные, чтобы тем самым исследовать тенденции и микроскопические механизмы химической связи в твердых телах. Когда полная энергия известна, легко вычислить все величины, связанные с энергией как функцией
