Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Актиноиды не являются уникальными в том, что имеют пологие пути прохождения внутренней энергии между ними. То же самое справедливо для некоторых переходных металлов (см. рис. 15) и даже простых металлов, таких как литий. Во всех этих металлах энтропия играет большую роль. Мы подчеркиваем, однако, что во всех актиноидах, и особенно в плутонии, начальные неустойчивости (приводящие к высокой энтропии и частым фазовым изменениям) возникают благодаря роли f электронов и существованию многих состояний с очень близкой энергией.
Низкие температуры плавления и электрон-фононная связь. Последняя примечательная особенность рис. 13, которую мы прокомментируем, это явно выраженная впадина на кривой плавления для нептуния и плутония. Мы предполагаем, что две причины могли привести к снижению температуры
Number 26 2000 Los Alamos Science
111
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Плоскости скольжения {111} Плоскости скольжения
Рис. 16. Формирование плотноупакованных кристаллических структур
Красные и синие слои гцк и гпу кристаллических структур складываются одинаково. В гцк структуре третий слой (желтый) находится в новом положении. В гпу структуре он идеально выстраивается с первым слоем (оба слоя красного цвета). Возможность одной плоскости скользить по другой плоскости приводит к пластичности металлов с гцк структурой. Требуется небольшой практический опыт, чтобы визуально представить плотноупакованные плоскости (закрашенные) в единичной ячейке гцк структуры. Многие системы скольжения в металлах с гцк структурой обсуждаются во вставке “Упаковка атомов и системы скольжения в металлах” на с. 310
плавления: сильная электрон-фононная связь в веществах с узкими зонами (которые в одноэлектронной теории будут наблюдаться как большое изменение f-f взаимодействия электронов в зависимости от температуры) и неустойчивость фаз вследствие большого энтропийного члена. Сильная электрон-фононная связь подразумевает, что небольшие изменения температуры приводят к большим, чем обычно, электронным изменениям. В результате эффективная температура выше, чем фактическая, и, следовательно, вещество плавится при относительно низкой температуре. Свидетельством сильной электрон-фононной связи является сильная зависимость от температуры констант упругости 6-плутония, стабилизированного галлием, полученных на основе измерений нейтронной дифракции (смотри статью “Колебания атомов и плавление плутония” на с. 192). Высокое удельное сопротивление чистого плутония при температуре ниже комнатной также указывает на сильную электрон-фононную связь. Большие значения энтропии (мягкие колебательные моды) в этих веществах также подразумевают, что относительно небольшие изменения температуры приводят к относительно большим изменениям свободной энергии. В результате среднее изменение температуры между фазами плутония составляет 85°С, тогда как в типичных переходных металлах оно составляет приблизительно IOOO0C. Иными словами, изменение свободной энергии, достаточно большое, чтобы вызвать плавление, требует лишь небольшого изменения температуры, то есть температура плавления относительно низкая. Несмотря на такое общее понимание, Мигриоли прав, подчеркивая, что требуется большая работа, чтобы количественно определить вклады колебательной энергии и энтропии в свободную энергию и фазовую устойчивость. Теперь вернемся к проблеме, каким образом электронная структура влияет на устойчивость фаз плутония, особенно 6-фазы.
Дельта-плутоний, локализация f электронов и металлургия плутония
Дельта-фаза плутония представляет особый интерес, потому что ее гцк
структура позволяет обрабатывать плутоний так же легко, как и алюминий. Эту фазу наиболее важно понять на основе первых принципов, так как она используется при создании ядерного оружия. Если говорить с иронией, хотя расчеты электронных структур плутония усовершенствовались, 6-фаза наиболее трудно поддается пониманию, несмотря на простую кубическую структуру, потому что поведение ее f электронов не вписывается в обычные представления. График металлических радиусов на рис. 14 указывает на сильное увеличение металлического радиуса (понижение плотности) 6-фазы плутония, что предполагает заметное ослабление связывания f электронами
при переходе от а- к 6-фазе. С другой стороны, локализация f электронов неполная, потому что межатомное расстояние в 6-плутонии все еще ниже линии для трехвалентных металлов, определяемой актинием и тяжелыми актиноидами, у которых f электроны полностью локализованы. (Сторона а0 куба единичной ячейки равна 4,637 А в 6-плутонии и 4,894 А в кубической структуре америция). Таким образом, f электроны в 6-плутонии находятся в состоянии между локализацией и блужданием, то есть в том состоянии, которое еще должно быть смоделировано каким-либо убедительным способом. Плутоний может легко менять свою кристаллическую структуру и плотность в зависимости
112
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний. Физика конденсированного вещества
8
7
6
JD
X
