Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
220
Los Alamos Science Number 26 2000
абсолютно ничего не произойдет, кроме того, что оцк структура станет устойчивой. На этой конечной стадии скрытая теплота отсутствует. Поэтому измеренная скрытая теплота без деформаций Бейна должна быть равна энергии, необходимой для деформирования гцк фазы в оцк структуру по механизму Бейна. Может потребоваться небольшая корректировка объема, но мы показали, что эта поправка мала. Какие деформации участвуют в этом процессе?
Измерение упругих свойств 6-плу-тония показывает необычайно высокую анизотропию сдвига. Жесткость на сдвиг в одном направлении (HO) или под углом jt/4 к ребру очень мала по сравнению с жесткостью на сдвиг параллельно ребру. По этой причине модуль Юнга -именно этот модуль действует в направлении Бейна - также очень мал. Кроме того, коэффициент Пуассона, описывающий, насколько вещество утолщается при одноосном сжатии, очень большой (0,424 - значение, близкое коэффициенту Пуассона для жидкости). Следовательно, направление Бейна пересекается при небольшом изменении объема и требующаяся энергия переходит главным образом в энергию деформации сдвига. Теперь мы связали изменение энергии деформации сдвига с данными измерений скрытой теплоты и установили, что перегруппировка атомов плутония путем сдвига должна быть важным процессом при этом фазовом переходе! Ho можно ли прийти к такому утверждению и через скорости звука?
Вообще, у веществ с оцк структурой очень большая анизотропия сдвига, как правило, даже больше, чем у 6-плуто-ния. Поэтому мы ожидаем, что обычно небольшая жесткость на сдвиг в одном направлении оцк структур должна обеспечивать те моды, которые приводят к большей энтропии, тем самым делая оцк структуру преобладающей при повышении температуры. На основании результатов стандартных ультразвуковых измерений, проведенных в работах (Ledbetter, Moment 1976) и (Kmetko, Hill 1976), мы получили низкотемпературные средние частоты фононов, или де-баевские температуры (не средние как таковые, но, по крайней мере, связанные с тем, что нам нужно), для 6- и є-плу-тония. Эти характеристические темпе-
Упругость, энтропия и фазовая устойчивость плутония
ратуры составляют 106 К для 6-плуто-ния и 89 К для 8-плутония. Используя эти не вполне верные характеристические температуры для вычисления вкладов энтропии в свободную энергию при 750 К - уравнение (20), - мы обнаруживаем, что измеренное значение скрытой теплоты Q уравновешивает изменение энтропии колебаний, возможно, с точностью до 10%. Иными словами,
3 ЫГ
! + In
0
+ Q
— Зк^Т 11 + In I ——
(23)
Таким образом, исходя из изменений скорости звука (упругой постоянной), можно объяснить практически все изменения энергии и энтропии при 6^8 фазовом превращении. Связаны ли строго изменения модулей упругости с типичными изменениями, происходящими при переходе материала с гцк структурой, которая, как ожидается, имеет низкую анизотропию сдвига, к оцк структуре, у которой, как ожидается, имеется высокая анизотропия сдвига, - или же модули изменяются в результате изменений электронной структуры? Хотя предстоит еще большая работа, чтобы подтвердить эти аргументы для более низкотемпературных фаз, для которых энтропия меньше, подход, основанный на ультразвуковых исследованиях, представляется верным путем к пониманию высокотемпературных фаз.
Деформация Бейна может быть использована и для объяснения отрицательного коэффициента объемного термического расширения 6-плутония. Очень большие значения деформации Бейна приводят к тому, что, используя скрытую теплоту и начальные и конечные модули, мы можем лишь грубо построить модули упругости по этому пути. Нет и того ограничения, что объем в конечный момент будет больше или меньше начального объема. В случае плутония объем в оцк структуре в конечный момент как раз оказывается меньше, и путь очень мягкий - то есть значение модуля Юнга невелико при деформации Бейна. Следовательно, важ-
ным доводом в пользу отрицательного коэффициента теплового расширения является то, что при температурах ниже границы между 6- и a-фазой плутоний осуществляет термический “отбор” оцк объема на очень мягком направлении Бейна. Следовательно, со временем у него будет объем, более близкий к оцк структуре, который меньше объема гцк структуры. Отрицательный коэффициент термического расширения этого объема может быть прямым следствием меньшего оцк объема и существования пути Бейна.
Размер определяемых энтропией эффектов очень велик в плутонии. Например, у никеля, у которого температура плавления почти вдвое выше температуры плавления плутония, модуль объемного сжатия почти в пять раз выше, а дебаевская температура (связанная со скоростями звука, а следовательно, с модулем объемного сжатия) в четыре раза выше, чем у плутония. Следовательно, у никеля энергии сжатия больше, чем у плутония, а эффекты энтропии - меньше. В случае никеля имеется намного меньше вариантов при поиске его устойчивых высокотемпературных фаз. Кроме того, в твердом состоянии он обнаруживает намного меньше структур, чем плутоний, и у него всегда положительный коэффициент термического расширения. Поэтому можно предположить, что странное поведение плутония, возможно, коренится в локализованных электронах со слабым перекрытием, которые и приводят к легко сжимаемой открытой структуре плутония.
