Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Отметим недооцениваемую связь между коррозией и магнетизмом. Большинство типов нержавеющей стали не являются магнитами и, конечно, не подвергаются коррозии. После сварки или деформации они иногда поражаются ржавчиной именно в тех местах, которые перешли в магнитное состояние железа, мартенсит. Почему? Мы предполагаем, что все электроны, которые не полностью участвуют в связи, включая локализованные электроны или электроны проводимости, которые являются магнитоупорядоченными, более доступны для химической реакции и, следовательно, для коррозии. Мы отметим также, что если электроны в блуждающем магните становятся менее связанными и более магнитными, решетка расширяется, и наоборот. Именно этот эффект сделал возможным получение инвара. Инвар, будучи блуждающим магнитом, является также сплавом с нулевым коэффициентом теплового расширения при температурах, близких к комнатной. Сто лет назад из инвара делали точные карманные часы. Когда блуждающий магнит нагревается, тепловое движение интерферирует с выравниванием спинов электронов в узких зонах, и такое уменьшение магнитной упорядоченности делает электроны немного более связанными (van Schilfgaarde et al. 1999), что мешает нормальному тепловому расширению. Выбрав правильную комбинацию элементов, можно создать
сплав, который сохранит свой размер в некотором диапазоне температур, потому что эти конкурирующие эффекты в данном температурном диапазоне точно сбалансированны. Теперь понятно, что часы из инвара необходимо предохранять от действия магнитного поля, поскольку эти поля могут стать причиной изгиба деталей. Мы не будем подробно обсуждать эффект инвара, но приведем простой пример, который иллюстрирует изменения электронной структуры, приводящие к такому эффекту.
Энергия, содержащаяся в магнитном поле постоянного магнита, может стать заметной в масштабе энергии сцепления. При падении современные постоянные магниты из сплава неодим-железо-бор разбиваются не потому, что металл не прочен, а потому, что колоссальная магнитная энергия резко снижается.
Рассмотрим блуждающие магниты - железо, кобальт и никель. Путем одноэлектронных расчетов мы можем определить объемы истинного ферромагнитного состояния и гипотетического парамагнитного состояния. Мы вычисляем ферромагнитное состояние путем учета спина и, таким образом, имеем упомянутые выше зоны со спинами, направленными вверх и вниз. В парамагнитных расчетах мы не учитываем спин, и зоны со спинами, направленными вверх и вниз, являются вырожденными. Во всех случаях вычисленный объем парамагнитного состояния меньше, чем объем ферромагнитного состояния. Иными словами, если блуждающие электроны вносят вклад в магнетизм, их вклад в образование связи снижается. Может ли этот компромисс быть связанным со сжатием при нагревании, которое наблюдается в 5-фазе чистого плутония?
Хотя плутоний не имеет локальных магнитных моментов, может возникнуть вопрос, могут ли электроны проводимости сделать его блуждающим магнитом, как железо. В настоящее время мало свидетельств магнетизма в чистом плутонии, но многие плутониевые соединения являются магнитами и тяготеют к состоянию блуждающих магнитов. Достаточно простого растворения водорода в плутонии, чтобы сделать его электроны локализованными, а систему - ферромагнитной. Сравнение легких актиноидов с металлами переходной группы также указывает, что легкие актиноиды должны быть сверхпроводниками, до тех пор пока не будут иметь локальных моментов. Таким образом, тот факт, что плутоний не является сверхпроводником, может быть свидетельством того, что плутоний - зарождающийся слабый блуждающий магнит и что утрата магнитного упорядочивания при нагревании оказывает влияние на сжатие 5-фазы плутония.
Необычные свойства элементов на диагонали. Теперь обратим внимание на элементы, расположенные вдоль диагонали на рис. 19. На атомном уровне эти элементы похожи на плутоний, потому что они имеют две или более не полностью заполненные атомные оболочки, которые близки по энергии. Электроны, следовательно, могут от-
носительно легко перераспределяться между оболочками. В результате эти элементы демонстрируют гигантские резонансы в атомных оптических спектрах, которые отражают их многочисленные близкорасположенные энергетические уровни.
Энергетические уровни в атоме превращаются в металле в многозонную си-
стему с одной относительно узкой зоной и высокой плотностью состояний на уровне Ферми. Такое описание справедливо для переходных металлов на диагонали, даже несмотря на то, что их d зоны не столь узки, как f зоны в элементах вдоль диагонали. Узкие зоны имеют тенденцию к смешиванию или гибридизации с другими близко расположенными
120
Los Alamos Science Number 26 2000
Плутоний. Физика конденсированного вещества
зонами (явление, которое прогнозируется в одноэлектронных зонных расчетах). Более того, ослабление или усиление гибридизации может подтолкнуть d или f электроны в этих узких зонах в сторону большей локализации или большей свободе соответственно. Таким образом, электроны в узких зонах высоко чувствительны к небольшим возмущениям. Эта чувствительность может привести к формированию многих аллотропических модификаций кристаллических структур в одном и том же элементе и каталитической активности. Это может также привести к способности металлов поглощать водород и давать искры при ударе. Каталитическая активность и поглощение водорода наступают, когда возмущения могут изменить химическое состояние, а диагональ - это место, где наблюдается такое поведение.
