Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Number 26 2000 Los Alamos Science
169
ФОТОЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ а- и 5-ПЛУТОНИЯ
Алоизиус Дж. Арко, Джон Дж. Джойс, JIyuc А. Моралес, Джеффри X. Терри, Роланд К. Шульце
170
Los Alamos Science Number 26 2000
оль 5f электронов плутония в образовании химических связей и гибридизации изучали в течение нескольких десятилетий; в настоящее время фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) дает первые конкретные результаты, показывающие, что некоторые из 5f электронов являются блуждающими и образуют узкую зону проводимости. Эта методика измерений определяет новое направление в исследовании сложного поведения актиноидов: при ее использовании электронная структура исследуется непосредственно И С ВЫСОКОЙ точностью.
Электронная структура металлов 5f группы периодической системы элементов - относительно неисследованная область физики конденсированных сред. Кроме того, это - одна из самых интересных областей исследований, поскольку поведение 5f электронов всех этих элементов обнаруживает тенденцию к высокой корреляции в противоположность независимому поведению частиц, преобладающему в других системах. Поведение 5f электронов актиноидов более разнообразно, чем поведение электронов элементов других групп - от магнетизма, обусловленного локальными моментами, через повышенную удельную теплоемкость, как у тяжелофермионных фаз, до поведения, характерного для узкой зоны.
Среди металлов этой группы плутоний оказывается самым необычным. Он обнаруживает шесть аллотропических фаз, а его 5f электроны находятся в переходном состоянии между локализацией, как в случае америция, и делокализацией, как в нептунии. Удельное сопротивление а- и (5-плутония высокое, температурный коэффициент - отрицательный, что весьма необычно для элементарного вещества. Считается, что многие необычные свойства плутония, включая легкость фазовых переходов, кристаллические структуры низкой симметрии и низкую температуру плавления по сравнению с другими актиноидами, определяются тем, что между связыванием и локализацией 5f электронов имеется равновесие. Благодаря большому числу аллотропических фаз, в плутонии можно наблюдать изменение электронной структуры и ее связь с большими объемными и структурными различиями этих фаз.
Низкотемпературная фаза плутония (a-фаза) имеет простую моноклинную кристаллическую структуру и высокую плотность - около 19 г/см3. Обычно расчеты зон в приближении локальной плотности (ПЛП) предполагают, что волновые функции f электронов имеют прямое перекрытие, обеспечивающее узкие, но отчетливо выраженные зоны 5f электронов. В результате а-плутоний можно описывать как имеющий свойства переходных металлов (см. статью “Свойства актиноидов в основном состоянии” на с. 131). Напротив, высокотемпературная 6-фаза имеет гцк структуру плотностью 16 г/см3. Считается, что прямое f-f перекрытие маловероятно для большинства 5f электронов. В результате небольшой остаточной гибридизации с электронами s и d зон, как это предполагается в периодической модели Андерсона, или, возможно, делокализации некоторой части 5f электро-
Number 26 2000 Los Alamos Science
171
Фотоэлектронная спектроскопия а- и 6-плутония
Плотность состояний в основном состоянии Измерение фотоэлектронного спектра в вакууме
Рис. 1. Схематическое представление процесса фотоэмиссии
Постановка эксперимента по фотоэмиссии показана во вставке в нижней левой части рисунка. Монохроматическое ультрафиолетовое или мягкое рентгеновское излучение с энергией hv фокусируется на чистую поверхность образца в высоком вакууме (обычно Ю'10 торр), а детектор регистрирует число фотоэлектронов, испускаемых с поверхности, как функцию их кинетической энергии Ек. Электронная структура основного состояния схематически показана в виде плотности состояний в верхней левой части рисунка. Заполненные состояния изображены зеленым цветом и обозначены через Ев, где энергия связи Eb определена как положительная. Чем выше энергия связи Ев, тем дальше находится электрон ниже уровня Ферми при Eb = 0. Незанятые состояния выше уровня Ферми не закрашены. Электроны при Eb поглощают фотон с энергией hv, и их энергия увеличивается на эту же величину. Если они вылетают в вакуум, они теряют не только энергию Ев, необходимую для того, чтобы они дошли до уровня Ферми, но и энергию, связанную с работой выхода Ф за счет зеркального заряда на поверхности. Следовательно, их кинетическая энергия в вакууме определяется как Ek = hv - Eb - Ф, что показано справа. Первичные электроны - это электроны при каждом Ek (это то, что фактически измеряется спектрометром), передаваемые в вакуум без акта рассеяния. Их число в первом приближении непосредственно связано с числом электронов в состояниях Ев. Электроны, неупруго рассеявшиеся до эмиссии через поверхность, называются вторичными электронами, и они дают вклад в фон, не имеющий такой особенности (показанный серым цветом). Электрон с уровня остова при энергии основного состояния Ebc может испускаться при энергии Ek = hv - Ebc -Фи образует острый заштрихованный пик при условии, если дырка в остове после вылета электрона хорошо экранируется электронами зоны проводимости. Вылет электронов из остова может также приводить к образованию одного или нескольких сателлитов при меньшем значении Ек, если экранирование дырки в остове плохое
