Физики раскрыли секрет необычного поведения плутония
В то время как почти все вещества расширяются с повышением температуры, одна из фаз плутония, дельта-плутоний, напротив, начинает сжиматься. Это явление давно ставило в тупик физиков, особенно с учетом высокой важности предсказуемого поведения плутония в рамках военных задач.
В своей новой работе специалисты Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) представили теоретическую модель, которая может воспроизвести и объяснить необычное термическое поведение этой фазы плутония. В центре модели лежит вычисление так называемой свободной энергии — фундаментального термодинамического параметра, который отражает доступную или полезную энергию в системе. Именно свободная энергия определяет стабильность и предпочтительное состояние вещества при разных условиях.
Как пояснил один из авторов исследования, физик Пер Седерлинд, свободная энергия является краеугольным камнем в понимании поведения любого материала, а особенно столь сложного, как плутоний. Его электронная структура считается одной из самых запутанных среди всех элементов таблицы Менделеева. Это объясняется тем, что электроны в атомах плутония подвержены влиянию целого комплекса факторов — от релятивистских эффектов до магнитных взаимодействий и особенностей кристаллической решетки.
Новая модель, разработанная в LLNL, впервые включает в себя флуктуирующие магнитные состояния, которые зависят от температуры. Ранее эти эффекты либо вообще игнорировались, либо считались второстепенными, однако именно их учет позволил объяснить аномальное сжатие дельта-плутония при нагревании. Оказалось, что в условиях высокой температуры именно магнитные флуктуации играют ключевую роль в изменении свободной энергии материала, что и приводит к противоположному термическому отклику.
По словам специалистов, новый подход можно применять по отношению и к другим материалам, в которых динамическая магнитная природа влияет на свойства — например, к железу и его сплавам, что особенно актуально в геофизике и материаловедении. В будущем команда LLNL планирует расширить модель, добавив в нее влияние микроструктур, дефектов и других реальных неоднородностей, которые присутствуют в любом промышленном материале.
Ранее мы рассказывали, почему атомная бомба оставила на тротуарах Хиросимы тени людей.
