Обычно материалы при нагревании расширяются
При повышении температуры атомы начинают вибрировать, перемещаться и занимать больший объём. Однако для одной из фаз плутония, так называемого дельта-плутония, происходит обратное: при температуре выше комнатной он сжимается.
Миссия национальной безопасности: Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) стремится предсказать поведение плутония во всех его фазах
Раскрытие тайны аномального поведения дельта-плутония при высоких температурах — важная часть этой задачи.
В новом исследовании, опубликованном в Reports on Progress in Physics, 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 и автор исследования из LLNL 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 — 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, поскольку она включает магнитные состояния, которые могут флуктуировать и зависеть от температуры», — сказал Сёдерлинд.
Учёт этих магнитных состояний в теории приводит к тому, что она соответствует странным экспериментальным наблюдениям сжатия при высоких температурах.
Эта методология может быть применена к другим материалам, где динамический магнетизм играет роль, например, к железу и его сплавам, которые важны в геофизике. В дальнейшем авторы планируют рассмотреть влияние микроструктур, дефектов и несовершенств, которые присутствуют в реальных материалах.
Предоставлено Lawrence Livermore National Laboratory