Учёные объяснили аномальное поведение плутония при нагреве

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

Обычно материалы расширяются при нагреве — более высокие температуры заставляют атомы вибрировать, двигаться и занимать больший объём. Однако для одной специфической фазы плутония, называемой дельта-плутонием, наблюдается обратный необъяснимый эффект: при температурах выше комнатной он сжимается.

В рамках своей миссии по национальной безопасности Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (LLNL) стремится предсказать поведение плутония во всех его фазах. Разгадка тайны аномального поведения дельта-плутония при высоких температурах — важная часть этой задачи.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Reports on Progress in Physics, учёные из LLNL представили модель, которая может воспроизвести и объяснить термическое поведение и необычные свойства дельта-плутония. Модель рассчитывает свободную энергию материала — величину, отражающую количество доступной или полезной энергии в системе.

«Свободная энергия принципиально определяет состояние материала, поэтому её понимание фундаментально важно», — пояснил учёный LLNL и соавтор исследования Пер Сёдерлинд. «Огромные усилия в лаборатории направлены на прогнозирование поведения плутония. Уверенность в этих прогнозах зависит от глубокого теоретического понимания его электронной структуры и свободной энергии».

Электронная структура плутония — одна из самых сложных среди всех элементарных металлов, поскольку его электроны легко подвержены влиянию релятивистских эффектов, магнетизма и кристаллической структуры. Новая модель свободной энергии впервые учитывает эффекты магнитных флуктуаций.

«Наша модель уникальна и нова тем, что включает магнитные состояния, которые могут флуктуировать и зависеть от температуры», — отметил Сёдерлинд.

Учёт этих магнитных состояний в теории позволил объяснить странные экспериментальные наблюдения сжатия при высоких температурах.

Этот метод можно распространить на другие материалы, где важную роль играет динамический магнетизм, например, на железо и его сплавы, имеющие значение в геофизике. В дальнейшем авторы планируют изучить влияние микроструктур, дефектов и несовершенств, присутствующих в реальных материалах.

Дополнительная информация: Per Söderlind et al, First principles free energy model with dynamic magnetism for δ-plutonium, Reports on Progress in Physics (2025). DOI: 10.1088/1361-6633/adedb1

Источник: Lawrence Livermore National Laboratory