Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
2 Одним из наиболее надежных и точных теоретических методов и пакетов программного обеспечения для выполнения таких вычислений является пакет программ FP-LMTO, разработанный в Лос-Аламосе Джоном Уилсом.
Number 26 2000 Los Alamos Science
131
Свойства актиноидов в основном состоянии
положения атомов, например, давление и силы межатомного взаимодействия. Наши вычисления имеют высокую точность и часто обладают предсказательной силой.
В этой статье мы представляем свои расчеты легких актиноидов (от тория до плутония) в их наблюдаемых низкосимметричных структурах. Мы достигли твердого теоретического понимания равновесного объема, структурной устойчивости, энергии сцепления, магнитных свойств этих элементов при T = 0. Мы можем воспроизвести постоянные наблюдаемых решеток для легких актиноидов с точностью до 5%, определить устойчивость структуры, включая фазовые переходы под действием давления, которые хорошо согласуются с экспериментом, предсказать структурные фазовые переходы при высоком давлении и воспроизвести магнитную восприимчивость в хорошем согласии с наблюдениями. Мы разработали также модифицированную версию нашей методологии, описывающую с некоторой точностью 6-фазу плутония, т. е. гране-центрированную кубическую (гцк) фазу металла, используемую в ядерном оружии. Возможно более важно, что численные результаты дают новое понимание того, почему актиноиды образуются в тех структурах, в которых они образуются. В частности, наши результаты противоречат старому утверждению
о том, что кристаллические структуры с низкой симметрией у актиноидов являются следствием направленного характера сферических гармоник 5f электронов.
Успехи ТФП в воспроизведении, а иногда даже в предсказании свойств актиноидов в основном состоянии предполагают, что точное компьютерное моделирование свойств других материалов также может стать осуществимым. В заключительном разделе мы обсуждаем возможность моделирования процессов образования дефектов, границ зерен (кристаллитов), сегрегацию конкретных атомных примесей в плутонии на поверхности или границах зерен и процессов образования сплавов. С точки зрения проблемы сопровождения ядерных запасов, моделирование свойств актиноидов могло бы, конечно, иметь большое значение.
Основание для современных разработок
Несмотря на блистательное достижение ядерной физики в предсказании существования плутония и его делительных свойств, а затем в создании этого нового материала, потребовалось длительное время, прежде чем химия элемента 94 была достаточно хорошо понята, чтобы позволить ученым поместить плутоний в периодическую таблицу. Первоначально утверждалось, что плутоний и другие легкие актиноиды - актиний, торий, протактиний, уран и нептуний - являются началом ряда 6d переходных металлов, аналогичного рядам 3d, 4d, 5d переходных металлов. То есть полагали, что увеличению атомного номера элемента отвечало увеличение числа электронов на 6d электронной оболочке. На этом основании искусственно созданный элемент с атомным
номером 94 первоначально был назван эка-осмием, и ожидалось, что он будет иметь ту же валентную конфигурацию и такие же химические свойства, как осмий. Затем Сиборг предположил (1945), что элементы от актиния до плутония являются началом нового ряда металлов, названных “рядом актиноидов”. В этом ряду, по аналогии с рядом лантаноидов, заполнялась f оболочка, а не d оболочка. В лантаноидах 4f электроны имеют тенденцию к локализации в определенных узлах решетки. Иными словами, они химически инертны и не вносят вклада в связь атомов в твердом теле. Следовательно, электронная связь в лантаноидах обеспечивается тремя (а иногда и двумя) электронами проводимости.
На рис. 1 сравниваются экспериментальные значения объемов лантаноидов и актиноидов в равновесном состоянии с объемами 5d переходных металлов. На
Актиноиды: Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf
Переходные металлы: La Hf Ta W Re Os Ir Pt
Au
Рис. 1. Экспериментальные значения радиусов Вигнера - Зейца у актиноидов, лантаноидов и переходных металлов
Радиус Вигнера - Зейца Rb3 (радиус объема, приходящегося на атом в твердом теле) определяется как (4л/3)/?3вз = V, где V - объем в состоянии равновесия элементарной единичной ячейки. Атомы актиноидов, лантаноидов и металлов переходной группы устроены таким образом, что они имеют одно и то же число валентных электронов. Объемы легких актиноидов и легких переходных металлов снижаются с увеличением атомного числа, тогда как объемы лантаноидов остаются почти постоянными. На этом основании первоначально предполагали, что легкие актиноиды являются началом ряда 6d переходных металлов
132
Los Alamos Science Number 26 2000
Свойства актиноидов в основном состоянии
Th (гцк) (1)
U (оцо) (2)
Pu (пм) (16)
Np (по) (8)
Pa (оцт) (1)
Рис. 2. Экспериментальные структуры кристаллов легких актиноидов
Здесь показаны обычные элементарные ячейки кристаллов легких актиноидов в основном состоянии (от тория до плутония). Число в круглых скобках показывает число атомов в элементарной ячейке. Заметим, что большинство из этих структур являются рыхлыми в противоположность плотноупакованным гпу, гцк и оцк структурам переходных металлов
