Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Number 26 2000 Los Alamos Science
191
КОЛЕБАНИЯ АТОМОВ И ПЛАВЛЕНИЕ ПЛУТОНИЯ
Эндрю С. Лоусон, Барбара Мартинез, Джойс А. Робертс, Джеймс У. Ричардсон младший, Бард И. Беннет
содержит 58 атомов и 10 различных кристаллографических положений
атомов иллюстрирует общую тенденцию образования сложных структур в плутонии и его сплавах. Структура показана на фоне Лос-Аламосского Центра исследований рассеяния нейтронов. (Кристаллическая структура воспроизведена с разрешения редколлегии Acta Crystallographica В52,1996 г.)
192
Los Alamos Science Number 26 2000
Колебания атомов и плавление в плутонии
ском проекте, старались придать металлическому плутонию форму, которая была необходима для создания первой атомной бомбы, но они все еще ставят в тупик физиков - специалистов в области конденсированных сред. В этой работе мы сообщаем о результатах некоторых новых измерений колебаний атомов, которые проливают свет как на фазовую неустойчивость, так и на аномальное плав ление плутония.
При любой температуре атомы в кристаллическом твердом теле постоянно колеблются около своего положения равновесия. Эти положения определяют кристаллическую решетку и однозначно определяются электронной структурой твердого тела1. При нагревании вещества атомы колеблются около своих позиций в решетке с возрастающей амплитудой до тех пор, пока колебания не станут хаотическими (не привязанными к позиции в решетке) и материал не начнет плавиться. Квадрат амплитуды колебаний обратно пропорционален силе атомного взаимодействия, которое связывает каждый атом с его местом в решетке. В некоторых веществах, включая плутоний, колебательное движение, которое сопровождает нагревание, может стать причиной того, что электроны перестраиваются вокруг атомов, изменяя силы межатомного взаимодействия. Таким образом, измерение колебаний атомов дает информацию о силах межатомного взаимодействия и, следовательно, об электронной структуре и ее изменении в зависимости от температуры и приложенного давления.
Реакция металлического плутония на тепловые и механические возмущения характеризуется неустойчивостью. Рис. 1 показывает фазовую диаграмму плутония при температурах ниже температуры его плавления (640 °С) и при давлениях ниже 10 килобар. При таких относительно небольших изменениях температуры и давления плутоний проходит через семь различных кристаллографических фаз. Эти фазовые превращения в твердом теле возникают из-за перестроений электронов, которые вызывают ослабление межатомного взаимодействия и изменение кристаллической структуры.
Температура плавления металлического плутония является еще одним из признаков неустойчивости, поскольку она очень низкая по сравнению с точками плавления соседних с плутонием элементов в периодической таблице (см. рис. 2). Эти неустойчивости известны с сороковых годов, когда металловеды, участвующие в Манхэттен-
1 Однозначного соответствия по-видимому нет, существуют электронные фазы с одинаковой кристаллической и различной электронной структурой. (Прим. ред. перевода).
Колебания атомов и уравнения состояния
Понимание процессов неустойчивости в плутонии и других актиноидах представляет интерес не только с точки зрения фундаментальных знаний, но также имеет и большое практическое значение для текущих задач Министерства энергетики. К этим задачам относятся очистка от ядерного загрязнения и предотвращение дальнейшего загрязнения окружающей среды, хранение ядерных отходов и поддержание безопасности и надежности запасов ядерного оружия. Наиболее важной миссией в Лос-Аламосе считается сопровождение запасов ядерного оружия, что требует построения надежного уравнения состояния (УРС) для плутония, чтобы прогнозировать эффективность ядерного оружия в отсутствие ядерных испытаний. Чтобы быть уверенными, что УРС обеспечивает возможность прогнозирования, нужно понимать колебательные возбуждения плутония на фундаментальном уровне, потому что они вносят вклад непосредственно в УРС.
УРС описывает внутреннее давление в металлическом плутонии в зависимости от температуры и плотности. Металлический плутоний является, конечно же, твердым телом и его внутреннее давление может состоять из нескольких вкладов, относительная величина которых варьируется в зависимости от температуры и внешнего давления. При T = 0 есть только энергия нулевых коле-
Рис. 1. Фазовая диаграмма металлического плутония в зависимости от температуры и давления
Плутоний имеет наиболее сложную фазовую диаграмму из всех элементов периодической таблицы. Все его семь различных кристаллографических фаз, являющихся следствием перестроения электронов, могут быть стабилизированы небольшим изменением температуры и давления
(Воспроизводится с разрешения Сообщества металловедов)
Рис. 2. Температура плавления легких актиноидов
Как показано на рисунке, температуры плавления нептуния и плутония аномально низки по сравнению с соседними с ними элементами. То же самое показано на рис. 13 в металловедческом контексте в статье “Плутоний. Физика конденсированного вещества” на с. 90.
