Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Более точные расчеты связи в плутонии в настоящее время доступны и представлены в статье “Свойства актиноидов в основном состоянии” (с. 131), HO есть несколько общих замечаний. Эти современные расчеты, а также расчеты, представленные выше, основаны на приближении локальной плотности (ПЛП), используемом в теории функционала плотности (ТФП) для расчета зонных структур. Ho в отличие от нашего упрощенного, педагогического подхода Уилс и Эриксон выполнили расчеты полных потенциалов (т. е. без наложения каких-либо ограничений на форму потенциала кристалла), таким способом могут быть обработаны все типы кристаллических структур. Их современные расчеты являются полностью релятивистскими (как и наши педагогические расчеты), что необходимо для кристаллов с большим зарядом Z атомов. Например, нерелятивист-
ские вычисления для атома плутония дают неправильный порядок валентных s, р, d и f уровней электронов.
Одна из предполагаемых связей между расчетами электронных структур, выполненных на основе одноэлектронных методов, и экспериментом подтверждается уровнями энергии одноэлектронных состояний, которые могут быть измерены в фотоэмиссионных экспериментах. В случае атомов, например, было доказано, что собственные значения энергии одноэлектронных уравнений Хартри-Фока (см. вставку на с. 98) равны энергиям удаления электронов или ионизации (теорема Купманса), которые являются непосредственно измеряемыми величинами. К сожалению, когда эти собственные значения для атомов рассчитываются методом ПЛП, они имеют не тот же самый физический
смысл. Они равны энергиям удаления электрона плюс небольшая расчетная поправка, и эта поправка не сводится к нулю для атомных уровней энергий и не вычислена для одноэлектронных состояний Блоха (периодических) в твердом теле. Поэтому мы должны полагаться на сравнение с экспериментальными данными, чтобы определить, насколько близки энергии, вычисленные методом ПЛП, и энергии удаления электронов, измеренные в экспериментах по фотоэмиссии. Любые разногласия не означают, что теория не верна.
Наконец, мы напоминаем читателю, что все одноэлектронные методы автоматически прогнозируют гибридизацию состояний s, р, d и f, когда эти состояния перекрываются. Результаты расчетов методом ПЛП, о которых мы сообщили в данной статье, согласуются с экспери-
Number 26 2000 Los Alamos Science
103
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Логарифм межатомных расстояний (х)
Рис. 8. Универсальная кривая связи
Одноэлектронные расчеты методом ПЛП кривых связи для калия, меди, плутония и молибдена с гцк структурами ложатся на одну и ту же кривую. Горизонтальная ось для каждого металла - это линия нулевого давления, а площадь между кривой связи и этой осью - это энергия сцепления на атом металла. (Пунктирная кривая для меди показывает, что при таком построении мы не учитываем асимптотические участки кривой связи для каждого элемента.) Из этого рисунка становится очевидным ряд соотношений. По мере увеличения энергии сцепления от одного металла к другому ось P = 0 поднимается вверх, а равновесная константа решетки а0 уменьшается (движется влево). В то же время, когда а0 движется влево, кривая силы при а0 становится круче, а объемные модули, которые есть касательные к кривой в точке а0, возрастают. Таким образом, если сила сцепления одного металла больше, чем другого, его константа решетки будет меньше, а его объемный модуль будет больше
ментальными данными приблизительно на 90%, тогда как расчеты полных потенциалов, такие как описаны в статье “Свойства актиноидов в основном состоянии” на с. 131, зачастую находятся в лучшем согласии. Однако важны не только вычисленные значения, но также и более глубокое понимание сути, которое дают расчеты методом ПЛП. Поскольку эти расчеты эффективны, мы можем повторить их для многих случаев варьирования параметров, тем самым охватывая более подробно свойства связи, которые определяют структуру и объемные свойства всех металлов периодической таблицы.
Структуры с низкой симметрией из узких зон
Одним из удивительных и необычных свойств металлического плутония явля-
ется очень низкая симметрия структуры его кристалла. Действительно, легкие актиноиды демонстрируют в основном состоянии наиболее низкосимметричные структуры среди всех металлов: от орторомбической структуры а-урана до моноклинной структуры а-плутония. Ha рис. 9 показана моноклинная структура кристалла а-плутония при комнатной температуре и ее отклонение от гексагональной структуры.
Напротив, переходные металлы, несмотря на относительно сложное поведение, образуют в основном состоянии высокосимметричные кубические структуры, такие как оцк, гцк или гексагональный плотноупакованный вариант гцк структуры (гпу). Эти структуры с высоким уровнем симметрии выглядят как сферы, сложенные таким способом, при котором наиболее эффективно заполняется пространство, без направлен-
ных связей (повышенной электронной плотности) между атомами. Как только металловедам будет известен способ упаковки (или структура кристалла), они смогут предсказать многие металлургические свойства вещества. Для иллюстрации связи между электронной структурой и структурой кристалла мы показываем, насколько корректно расчеты электронных структур методом ПЛП прогнозируют последовательность кристаллических структур в основном состоянии для всех переходных металлов.
