Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Stover, В. J., and W. S. S. Jee, ed. 1972. Radiobiology of Plutonium. University of Utah, Salt Lake City: J. W. Press.
Number 26 2000 Los Alamos Science
89
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Обзор теории и эксперимента
А. Майкл Боринг и Джеймс Л. Смит
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Системы стремятся к состоянию с наименьшей энергией, но металлическому плутонию это удается с трудом. У него много состояний, близких по энергии, но разительно отличающихся по структуре, поэтому часть образца может изменить свою структуру и плотность в ответ на незначительные изменения в окружающих его условиях. Вероятно, нам еще предстоит увидеть образец при температуре, близкой к комнатной, который достиг состояния истинного равновесия. Эта метастабильность и ее огромное влияние являются составляющей частью странных свойств металлического плутония, сплавов и соединений; они имеют чрезвычайно важное значение, если мы хотим сохранить ядерное оружие целым в течение десятилетий.
Здесь мы представляем обзор свойств металлического плутония в сравнении с другими актиноидами и другими металлами периодической таблицы элементов. У плутония много необычных свойств. Вместо того, чтобы иметь кубическую решетку, обнаруженную в других сходных металлах, плутоний в основном состоянии имеет низкосимметричную моноклинную структуру с 16 атомами в элементарной ячейке. О его неустойчивости среди металловедов ходят легенды - при атмосферном давлении плутоний проходит шесть кристаллографических фаз при нагревании до плавления. Одна из этих фаз - гра-нецентрированная кубическая 6-фаза, она стабилизируется при относительно низкой температуре легированием плутония небольшим количеством галлия. Сама по себе 6-фаза приводит в замешательство, поскольку имеет необычно низкую плотность, а также отрицательный коэффициент теплового расширения, то есть 6-плутоний при нагревании сжимается. При температуре ниже
комнатной плутоний продолжает демонстрировать необычные свойства. В частности, он имеет необычно высокое сопротивление и повышенную удельную теплоемкость, что предполагает новые взаимодействия и корреляции между электронами. Поскольку, вероятно, именно они являются основной причиной необычного поведения плутония, мы обратимся к этим необычным электронным корреляциям в связи как с высоко-, так и с низкотемпературными явлениями. Рис. 1 показывает, как в плутонии пересекаются многие свойства. По мере рассмотрения этих свойств мы обсудим следующие вопросы. Действительно ли плутоний фундаментально отличается от других металлов? Нужна ли нам совершенно новая теория для объяснения его поведения?
Определенные ответы на эти вопросы могут быть даны после получения более точных и полных экспериментальных данных, которые приведут к созданию законченной теории плутония и его соединений. Мы показываем, однако, что в отношении к плутонию подходят две основополагающие концепции современной теории металлов: одноэлектронное приближение для зонной структуры и подход, основанный на корреляции электронов.
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Более того, многие свойства плутония в основном состоянии можно спрогнозировать на основе современной теории одно электронных зон. Другие проблемы еще предстоит решить. Когда вы прочитаете эту и другие статьи этого тома, вы узнаете не только об успехах, но и об остающихся нераскрытыми тайнах, благодаря которым проблема плутония находится на переднем крае физики конденсированных сред.
f электроны и роль узких зон проводимости. Все металлы, включая плутоний, сохраняют свою целостность благодаря электронной или химической связи между электронами проводимости и положительно заряженными ионными остовами, которые образуют кристаллическую решетку. Электроны проводимости не локализуются в отдельных узлах решетки. Они являются делокализован-ными и почти свободно блуждают по кристаллу, связывая ионы подобно клею. Ho не нужно думать о клее, движущемся вокруг ионов, как о веществе, которое делает металлы тверже, чем другие твердые тела. Тем не менее можно рассчитать конкретные зоны энергетических уровней, которые занимают электроны проводимости. Структура этих зон определяет многие свойства металлов.
В чистом плутонии и других легких актиноидах электроны проводимости включают не только валентные s, р, d электроны, как в переходных металлах, но также уникальные для актиноидов валентные электроны, а именно те, которые находятся на 5f оболочке. Каждый атом плутония имеет пять 5f электронов, которые участвуют в связи. Однако роль этих 5f электронов в различных твердых фазах чистого металлического плутония и его металлических соединениях и сплавах меняется. Электроны 5f могут быть локализованными (или связанными) в узлах решетки, и в этом случае они не участвуют в связи, или же они могут занимать узкую зону проводимости и участвовать в связи. В настоящее время предметом интенсивных исследований является установление точных взаимодействий и корреляций между электронами, которые приводят к такой изменчивости.
