Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
В течение десятилетий ученые думали, что остронаправленная форма (при
изменении угла) атомных орбиталей f электронов и вероятность того, что эти орбитали могут формировать направленные связи, и являются причиной аномалий металлического плутония. Эта концепция была использована в отношении твердых тел, потому что она хорошо подходила для молекул и молекулярных комплексов. Действительно, когда читаешь статьи по химии актиноидов, можно понять значение формы f орбиталей для молекулярных систем. Однако в данной статье мы объясняем, каким образом современные расчеты зонных структур плутония в его основном состоянии с низкой симметрией (а-фаза) привели к другому пониманию некоторых его свойств. Эти расчеты демонстрируют, что для плутония, как и для других металлов, именно энергетические зоны определяют такие свойства в основном состоянии (Г = 0), как энергия связи, устойчивость кристаллической структуры и упругие свойства. Более того, крайне низкосимметричная кристаллическая структура плутония в основном состоянии может возникать из-за совершенно определенной особенности его энергетических зон -основная зона проводимости, та самая, которая вносит наибольший вклад в образование связи в металле, является достаточно узкой f электронной зоной.
В последующей части статьи мы изучаем фазовую неустойчивость в чистом плутонии при нагревании металла и возможные причины ее возникновения, связанные с поведением узкой зоны f электронов. Затем мы обращаемся к низкотемпературным свойствам, в соответствии с которыми плутоний относится к материалам с коррелированными электронами. И, наконец, мы обсуждаем экзотическое “тяжелофер-мионное” поведение церия и соединений легких актиноидов, потому что если мы сможем понять эти вещества, обладающие чрезвычайно узкими зонами, мы сможем понять и свойства плутония. В целом на поведение веществ с коррелированными электронами, включая плутоний, при низких температурах доминирующее влияние оказывают все еще не объяснимые взаимодействия электронов, расположенных в узких зонах. По этой причине основные состояния, которые в более обычных веществах
обладают магнитными свойствами либо сверхпроводимостью, зачастую недостаточно хорошо определены и не понятны для этих материалов.
Каждые несколько лет специалисты в области конденсированных сред обнаруживают вещество с новым основным состоянием, которое подрывает принятую концепцию, и сообщество ученых направляет свое внимание на эту новую задачу. Существует также и вынужденная необходимость в проведении работ по плутонию: этот металл обладает по сравнению со всеми другими элементами наиболее загадочным поведением, и это его поведение касается задач обеспечения национальной безопасности, возложенных на JIoc-Аламосскую национальную лабораторию. Хотя теория может разрабатываться в любом месте, в большинстве лабораторий экспериментальные исследования плутония проводиться не могут, поэтому мы в Лос-Аламосе интенсивно проводим и экспериментальные, и теоретические разработки.
В нашем обзоре по плутонию идеи простираются от твердо установленных наукой до рискованных предположений. Мы попытаемся прояснить, какие из них какие, но включаем в статью и те и другие, чтобы всесторонне и более интересно представить наше понимание этого сложного элемента.
Основные свойства металлов
Большей частью металлы образуются в кристаллическом состоянии. В отличие от аморфных или стекловидных веществ атомы в кристалле располагаются в периодическую (повторяющуюся) систему из идентичных структурных единиц, известных под названием элементарные ячейки. Их повторение в пространстве означает, что металлы имеют трансляционную симметрию и эта симметрия лежит в основе всего поведения металлов. Ho даже с помощью современных компьютеров нельзя рассчитать электронную структуру куска дерева, потому что оно не обладает симметрией. Трансляционная симметрия кристаллического твердого тела (не только металла) приводит к электронным волновым функциям (или состояниям Блоха), которые имеют одинаковую трансляционную симметрию
92
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Направление увеличения корреляций электронов в доминирующей зоне
'Ъс
Возбуждения с низкой энергией на обоих концах
Низкое удельное сопротивление? низкая плотность состояний? низкая электронная теплоемкость
Направление уменьшения ширины ^
доминирующей зоны
Рис. 1. Плутоний на пересечении электронных свойств
Этот рисунок суммирует некоторые необычные электронные свойства плутония, которые являются следствием доминирующей роли узких энергетических 5f зон. Вдоль одной диагонали плутоний занимает промежуточное положение между простыми металлами, электроны проводимости которых существенно некоррелированны и ведут себя как свободные электроны, и тяжелофермионными веществами, электроны проводимости которых обнаруживают сильные корреляции, приводящие к чрезвычайно большим эффективным массам. Вдоль другой диагонали плутоний стоит на пересечении между веществами, чьи блуждающие электроны, находящиеся в широких энергетических зонах, образуют сверхпроводящие основные состояния, и веществами с магнитными свойствами, чьи полностью локализованные электроны (бесконечно узкие энергетические зоны) образуют локальные моменты и магнитные основные состояния. По горизонтальной линии плутоний и другие вещества со связанными электронами в узких зонах отличаются от элементов на любом из ее концов своим высоким удельным сопротивлением и высокой теплоемкостью, высокой плотностью состояний вблизи энергии Ферми и повышенной электронной массой
