Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
S
с;
CE
CD 4
s
X
CD
X
CD
CO
^ 3
2
1
0 100 200 300 400 500 600 700
Температура (°С)
Рис. 17. Тепловое расширение плутония
Относительное (в %) изменение длины плутония и железа показано в зависимости от температуры в интервале от O0C до 660°С. Резкие изменения кривой для плутония обозначают фазовые переходы, а каждый из гладких участков соответствует обозначенной фазе. Указана также кристаллическая структура и плотность для каждой фазы. Заметим, что тепловое расширение плутония очень большое, до плавления вещество проходит через шесть фаз твердого тела, 5-фаза сжимается по мере нагревания и плутоний сжимается при плавлении. Эти свойства явно отличаются от небольшой величины линейного расширения железа и большинства металлов
TU-
Чистый
плутоний
Кристаллическая структура Плотность (г/см3)
ос Простая моноклинная 19,86
P Гранецентр. моноклинная 17,70
Y Г ранецентр. орторомбическая 17,14
8 Г ранецентр. кубическая 15,92
8' Объемноцентр. тетрагональная 16,00
є Объемноцентр. кубическая 16,51
L Жидкость 16,65
Железо
от окружающих условий, а его 6-фаза является наиболее чувствительной.
Единственным другим превращением, которое близко подходит к 26%-ному расширению объема, наблюдаемому в процессе превращения a-фазы в 6-фазу плутония, является изоструктурное расширение при переходе гцк a-фазы церия в гцк у-фазу. Такой переход сопровождается 20%-ным расширением объема. До того как стало известно о существовании f зон, обратный переход в церии -превращение из гцк у-фазы в более плотную гцк a-фазу при температуре, близкой к комнатной, и под давлением -объяснялся за счет превращения f электрона (локализованного) в d электрон (блуждающий), что могло бы объяснить изменение объема и магнитные свойства. Однако накапливаемые данные не показали изменения количества f электронов на всем протяжении изменения объема. В 1974 году Бьорг Йохансон предположил, что коллапс в церии включает в себя переход Мотта. Мотт описал, каким образом локализация электронов проводимости превращает проводники в изоляторы, а делокализация приводит к обратному процессу. Йохансон понял, что изоструктурное расширение гцк фазы церия заключало в себе локализацию, а ее коллапс делокализа-цию, так же как при переходе “металл-изолятор” Мотта, но только в церии в этом процессе участвовали f электроны. Электроны s-p и d оставались электронами проводимости в обеих гцк фазах и, таким образом, превращение типа перехода Мотта наблюдается между двумя металлическими фазами церия. Многие теоретики уверены, что аналогичный механизм локализации, вероятно, является ответственным за серию фазовых превращений от a-фазы к 6-фазе плутония, за исключением того, что итоговый результат не приводит к полной локализации, наблюдаемой в превращении a-фазы церия в у-фазу, поскольку участвуют в нем пять f электронов, а не один (смотри статью “Возможная модель 6-плутония” на с. 156).
Несмотря на странное электронное состояние, 6-плутоний как бы сигнализирует о возвращении актиноидов к типичным для металлов плотноупакованным кристаллическим структурам. То есть он образует вершину “айсбер-
га” гцк фаз, представленного справа на рис. 13. Гцк структура - это то, что делает очень полезными такие металлы, как медь, алюминий, нержавеющая сталь и 6-плутоний. Это высокосимметричная плотноу пакованная структура, которую можно легко построить из мраморных шаров, как на рис. 16. Первый слой шаров (красный цвет) образует шестиугольники, состоящие из треугольников. Второй слой (синего цвета) естественным образом попадает в множество впадин первого слоя. Шары третьего слоя могут быть размещены либо непосредственно над первым слоем (красный цвет), либо в третьем множестве позиций, которых нет в нижних слоях (жел-
тый цвет). Гпу структура образуется, если третий слой находится сверху над первым, а гцк структура - если третий слой находится в третьей позиции. Заметим, что во всех случаях одному слою достаточно легко скользить относительно другого, потому что шары не должны слишком много двигаться вверх-вниз, чтобы попасть в следующий набор ямок. Скольжение в другой плоскости происходит не так легко, потому что во всех других неэквивалентных плоскостях количество атомов меньше и углубления глубже. Именно потому, что одна плоскость может легко скользить по другой, металлы с гцк структурой являются пластичными и их легко обрабатывать.
Number 26 2000 Los Alamos Science
113
Плутоний. Физика конденсированного вещества
Плутоний в жидком состоянии
Для плутония жидкое состояние (когда он имеет меньшую энергию) должно быть более выгодным, потому что при этом он имеет плотность более высокую, чем в той фазе, из которой он плавится. Вероятно, плутоний в жидком состоянии образует кластеры (как вода), так как имеет наибольшую вязкость среди всех расплавленных металлов и образует комплексы, как обсуждалось в статье “Сложность химического поведения плутония” на с. 366. Можно отметить, что оцк кристаллическая структура имеет атомы, являющиеся соседями второго порядка, которые расположены почти так же близко, как ближайшие соседние атомы, и имеет небольшое сдвиговое напряжение, то есть это наиболее похожая на жидкость кристаллическая структура и она является высокотемпературной фазой в твердом состоянии для большинства металлов. Вот почему натрий с оцк структурой можно резать ножом для масла. Поскольку и вода, и плутоний являются хорошими растворителями, можно на законном основании провести сравнение между полярными молекулами воды и неправильным расположением атомов плутония. Чтобы установить природу жидкого плутония, нам, следовательно, требуется использовать нейтроны или какое-либо другое зондирование. Напомним читателю, что если бы плутоний не был таким хорошим растворителем, у нас были бы более практичные контейнеры, куда его можно было бы поместить, чтобы произвести измерения при высоких температурах.
