Особенности поведения плутония
Обычно материалы при нагревании расширяются. Повышение температуры заставляет атомы вибрировать, двигаться и занимать больший объём. Однако для одной из фаз плутония, так называемой дельта-фазы плутония, происходит обратное: при температуре выше комнатной он сжимается.
Цель Lawrence Livermore National Laboratory
В рамках своей миссии по обеспечению национальной безопасности Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) стремится предсказать поведение плутония во всех его фазах. Разгадка тайны аномального поведения дельта-плутония при высоких температурах — важная часть этой задачи.
Новое исследование
В новом исследовании, опубликованном в [Reports on Progress in Physics](https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/adedb1), учёные из LLNL демонстрируют модель, которая может воспроизвести и объяснить тепловое поведение и необычные свойства дельта-плутония. Модель рассчитывает свободную энергию материала — величину, отражающую количество доступной или полезной энергии в системе.
«Свободная энергия фундаментально определяет состояние материала, поэтому она является основополагающей для его понимания», — сказал учёный LLNL и автор исследования Пер Сёдерлинд. «Огромное количество усилий в LLNL направлено на предсказание поведения плутония. Уверенность в этих предсказаниях зависит от глубокого теоретического понимания его электронной структуры и свободной энергии».
Электронная структура плутония
Электронная структура плутония — одна из самых сложных среди всех элементарных металлов, поскольку на его электроны легко влияют релятивистские эффекты, магнетизм и кристаллическая структура. Новая модель свободной энергии впервые учитывает эффекты магнитных флуктуаций.
«Наша модель уникальна и нова, поскольку она включает магнитные состояния, которые могут флуктуировать и зависеть от температуры», — сказал Сёдерлинд.
Учёт этих магнитных состояний в теории позволяет ей соответствовать странным экспериментальным наблюдениям сжатия при высоких температурах.
Эта методология может быть применена к другим материалам, где динамический магнетизм играет роль, таким как железо и его сплавы, которые важны в геофизике. В дальнейшем авторы планируют рассмотреть влияние микроструктур, дефектов и несовершенств, которые присутствуют в реальных материалах.
Предоставлено [Lawrence Livermore National Laboratory](https://phys.org/partners/lawrence-livermore-national-laboratory/)
Reports on Progress in Physics, researchers from LLNL demonstrate a model that can reproduce and explain delta-plutonium’s thermal behavior and unusual properties. The model calculates the material’s free energy, a quantity that reflects the amount of available or useful energy in a system.”,”\”Free energy fundamentally dictates the state of a material, so it is foundational for understanding it,\” said LLNL scientist and author Per Söderlind. \”An immense amount of effort at LLNL is dedicated to predicting the behavior of plutonium. The confidence in these predictions depends on a deep theoretical understanding of its electronic structure and free energy.\””,”Plutonium’s electronic structure is among the most complex of all elemental metals because its electrons are easily influenced by relativity, magnetism and crystal structure. The new free-energy model accounts for magnetic fluctuation effects for the first time.”,”\”Our model is unique and novel because it includes magnetic states that are allowed to fluctuate and depend on temperature,\” said Söderlind.”,”Acknowledging those magnetic states in the theory causes it to match the odd experimental observations of contraction at high temperatures.”,”This methodology could be extended to other materials where dynamic magnetism plays a role, such as iron and its alloys, which are important in geophysics. Going forward, the authors plan to address the impacts of microstructures, defects and imperfections that are present in real-world material.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tLawrence Livermore National Laboratory\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник