Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Новый взгляд на периодическую таблицу
Плутоний не единственный элемент, который имеет электроны, случайно балансирующие между состояниями связи и локализации, хотя у плутония это свойство выражено сильнее, чем у других элементов. Если периодическую таблицу изобразить таким образом, чтобы показать только ряды элементов с d и f электронами, и ряды элементов с f электронами разместить в верхней ее части и свести вместе, как показано на рис. 19, тогда элементы, выделенные по диагонали белой полосой, будут служить приблизительной разделительной линией между локализованным (локальный магнитный момент) и блуждающим (сверхпроводимость) дальнодействующим коллективным поведением. Это является хорошим признаком того, что f и d электроны элементов вдоль выделенной диагонали могут балансировать между локализованным и блуждающим состоянием, и их поведение представляет интерес. Обсудим сначала “нормальные металлы”, а затем элементы, лежащие на диагонали.
Нормальное поведение за пределами диагонали: магнетизм против сверхпроводимости. Рис. 19 показы-
вает, что металлы с f и d электронами вне диагонали четко делятся на две категории. В одной категории f и d электроны являются блуждающими, полностью связывающими и имеют тенденцию к образованию сверхпроводящего основного состояния при очень низких температурах. В другой категории f и d электроны являются полностью локализованными, обычно образуя локальные магнитные моменты и упорядочиваясь в магнитном основном состоянии при некоторой температуре.
Такая корреляция локализованных электронов с локальными магнитными моментами и распределенных электронов со связыванием знакома химикам. Когда химики делают новый изолятор или новое органическое соединение, содержащее атомы с f или d электронами, они могут установить валентное состояние атома путем измерения магнитного момента соединения. Измеренное значение дает им число электронов, вносящих вклад в момент, и, следовательно, число электронов, локализованных в атоме. Оставшиеся f и d электроны участвуют в связи, и их сумма определяет валентность. Обычно металлы не столь просты, но удобно представлять себе электроны магнитными или участвующими в связи.
Откуда мы знаем, имеются ли в веществе локальные магнитные моменты? Магнитная восприимчивость х определяет внутреннюю реакцию вещества на приложенное магнитное поле. То есть M = %В, где M - намагниченность вещества и В - индукция магнитного поля. В 1845 году Фарадей показал, что некоторые материалы притягивались в область сильного действия поля магнита, а другие отталкивались. Он назвал материалы первого типа парамагнетиками с положительной магнитной восприимчивостью, а материалы второго типа-диамагнетиками с отрицательной восприимчивостью. Большинство обычных металлов не имеют магнитных моментов и являются слабыми парамагнетиками или диамагнетиками. Как показано на рис. 20, немагнитные металлы имеют низкую восприимчивость, которая почти не зависит от температуры. Металлы с магнитными свойствами имеют положительную и более высокую восприимчивость, и, поскольку тепловое движение противостоит тенденции моментов выстроиться в направлении приложенного магнитного поля, эта положительная восприимчивость обратно пропорциональна температуре, как показано на рис. 21. Мы можем получить значение магнитного момента в материале, об-
Number 26 2000 Los Alamos Science
117
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Рис. 20. Магнитная восприимчивость плутония и других материалов
Ha графике видно, что восприимчивость большинства металлов близка к нулевой, но восприимчивость соединения UBe13 очень высокая, как если бы это тяжелофермионное соединение имело локальные моменты. Было высказано предположение, что UBe13 при низких температурах будет антиферромагнетиком. Вместо этого UBe13 при низкой температуре становится сверхпроводником, и пока нет полного понимания причины такой высокой восприимчивости этого соединения. Восприимчивость различных фаз плутония также выше, чем у большинства металлов, но ниже, чем у веществ с локальными моментами. Подъем кривой для плутония (смотри вставку) более отчетливо демонстрирует изменение восприимчивости по мере изменения фазового состояния плутония. Хотя восприимчивость у плутония в основном не зависит от температуры, она по мере снижения температуры немного возрастает. Можно сказать, что плутоний ведет себя почти как магнетик
Температура (К)
Рис. 21. Графики обратной магнитной восприимчивости Кюри - Вейсса
Магнитная восприимчивость благодаря локальным моментам подчиняется закону Кюри - Вейсса: она обратно пропорциональна температуре, потому что тепловое движение электронов имеет тенденцию к размытию естественного выстраивания локальных моментов по мере роста температуры. Обратная восприимчивость представлена графически для нескольких случаев. Если взаимодействие между локальными моментами отсутствует, обратная восприимчивость экстраполируется к нулю при T= 0. Если имеется ферромагнитное взаимодействие локальных моментов, она экстраполируется к нулю при пересечении положительной температуры, а если имеется антиферромагнит-ное взаимодействие, она экстраполируется к нулю при пересечении отрицательной температуры. Абсолютное значение точки пересечения имеет тенденцию коррелировать с температурой магнитного упорядочивания
