Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Недавно Р. К. Альберз из Лос-Ала-моса и его соавторы выполнили расчеты для алюминия, которые, по-видимому, поддерживают предположение Хилла. Используя в качестве входной информации увеличенный объем, эти ученые нашли, что структура алюминия
5 Дж. Акелла, ЛЛНЛ (частное сообщение).
Number 26 2000 Los Alamos Science
143
Свойства актиноидов в основном состоянии
(а) (б)
Рис. 9. Рассчитанная зарядовая плотность в а-уране и кремнии в плоскости 010
Мы сравниваем три графических контурных изображения электронной плотности для а-урана с аналогичным графиком для кремния в алмазной структуре. Рисунок (а) показывает контуры электронной плотности для кремния. В алмазной структуре кремний является отличным примером ковалентной связи, признаком которой является скопление заряда вдоль линий связи. Напротив, контуры для урана (б-г) демонстрируют скопление заряда вдали от связей, в междоузлиях. Такого типа строение является характерным для металлической связи. Однако основная решетка часто определяет вид контура плотности зарядов. Мы, таким образом, показываем три типа расчетов для урана: в (б) рассчитали плотность электронов с делокализованными 5f электронами, в (в) - с внутренними (сферическими) 5f электронами, а (г) представляет перекрытие атомных плотностей. Очевидно, что наличие или отсутствие асимметричных 5f орбиталей мало влияет на форму плотности зарядов и характер связей в а-уране
в основном состоянии является высокосимметричной алмазной структурой. Они предположили, что при расширенном объеме очень малое пересечение атомных орбиталей снижает влияние валентных электронов на их ближайших соседей и направленный характер орбиталей стабилизирует алмазную структуру. Мы проверили это предположение путем расчета полной энергии алюминия сначала для алмазной структуры, а затем для ряда других более низкосимметричных орторомбических структур. Это искажение структуры кристалла
фактически приводит к структуре, напоминающей структуру у-плутония. На рис. 10 представлены наши результаты, показывающие, что алмазная структура не является структурой с самой низкой энергией у алюминия при увеличенных объемах. Вместо этого, как у актиноидов, низкосимметричная структура является наиболее устойчивой.
Механизм стабилизации структур с низкой симметрией. Результаты, полученные для алюминия, согласуются с нашим представлением о том, что лег-
кие актиноиды образуют уникальные низкосимметричные открытые структуры, поскольку их f электроны занимают очень узкие зоны проводимости (Wills, Eriksson 1992, Soderlind et al. 1995). Механизм образования низкой симметрии напоминает искажение энергетических зон Пайерлса - Яна - Теллера и может быть представлен следующим образом: предположим, что металлический актиноид имеет гипотетическую оцк структуру при нормальных условиях и имеет форму энергетической зоны наподобие черной кривой на рис. 11. Эта зона
144
Los Alamos Science Number 26 2000
Свойства актиноидов в основном состоянии
описывает энергетические уровни вдоль высокосимметричного направления оцк структуры кристалла и, следовательно, имеет высокую степень вырождения, скажем, 2. Иными словами, имеется два состояния для каждого уровня энергии, а энергетическая зона на самом деле состоит из двух зон энергетических уровней, которые лежат один поверх другого. (Такого типа вырождение всегда появляется вдоль высокосимметричных направлений гцк и оцк структур.) Если бы оцк структура была изменена на слегка искаженную (скажем, тетрагонально или орторомбически) оцк структуру, то пониженная симметрия разрушила бы вырождение. Как показано на рис. 11, исходная зона расщепилась бы на две невырожденные зоны: одна имела бы слегка повышенную (кривая красного цвета), а другая - слегка пониженную энергию (кривая синего цвета).
Гипотетические зоны на рис. 11 являются зонами проводимости, то есть они пересекаются уровнем Ферми E^. Следовательно, если исходная зона расщепляется, некоторые состояния выталкиваются выше уровня Ферми, а другие - ниже этого уровня. Действительно, имеется диапазон волновых век-
торов к, в котором занятые состояния (те, которые ниже уровня Ферми) искаженной структуры имеют более низкую энергию, чем занятые состояния в симметричных структурах. Таким образом, энергетический вклад этих областей ^-пространства меньше в искаженной структуре, чем в неискаженной. В других областях ^-пространства вклады в полную энергию одинаковы независимо от симметрии: либо обе расщепленные зоны находятся выше уровня Ферми и поэтому не заняты (и не влияют на полную энергию), либо обе они ниже уровня Ферми. В последнем случае вклад энергии от двух расщепленных зон равен средней энергии этих двух зон, умноженной на 2, что в точности равно энергии двух вырожденных зон в высокосимметричной структуре. Таким образом, только области ^-пространства, которые захватывают уровень Ферми, вносят вклад в снижение общей энергии низкосимметричной структуры. Этот механизм снижения энергии подобен механизму искажения Пайерлса и эффекту Яна - Теллера.
