@ 2015.07.14 , 12:00

与众不同的钚,“我的磁力呢?”

钚是一种金属,却不会被磁铁吸引,令科学家困惑了几十年。现在,研究人员可能已经发现了“失踪的磁力”。

原因到底在哪?在于围绕钚原子周围的电子,这个成果由洛斯阿拉莫斯国家实验室的Marc Janoschek发现。

他们说,这一发现也许能够更加准确地预测和调整新材料的性能。

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原子基础

电子按照一定的轨道围绕原子旋转。每条轨道都有电子数的最大上限。在普通的金属里最外层的电子数目是固定的 – 例如铜只有一个电子,而铁有两个。原子周围没有其他额外的能量(比如热能或电能),电子处于一种低能态,称之为基态。

为了弄清钚的基态电子,Janoschek团队向一个钚原子射出一束中子。中子和电子都具有磁场,并且这些磁场具有电磁矩。磁矩指的是磁场中数量和方向对齐的力。中子与电子的磁矩相互作用,Janoschek队观察到其中电子基态的一种信号,这可以显示外围电子的数量。

他们发现钚的外围基态有4-6个电子。之前试图解释此元素奇怪属性的科学家们假定这个数量是固定的。

不过这并不是什么新的研究。“它通常在三种不同的结构之间波动。”Janoschek说。“但这次它同时处于三种状态。”

对于这种奇特状态的理论基础是在2007年奠定,当时罗格斯大学的物理学家研制出一种新的数学工具,推算出钚的电子数可能会波动。洛斯阿拉莫斯的实验是该理论的首个实验,它已被证明是正确的。

钚的奇怪特性

这种波动可以解释为什么钚没有磁性。磁铁的磁力由不成对的电子产生。每个电子就是像一个微小的磁铁,有北极和南极。当电子填满了原子的轨道,它们单独地排列起来,此时磁力距作用于同一方向。随着越来越多的电子进入轨道,它们在南北两极配对,最终磁场被相互抵消了。但有时会有单个电子找不到配对。例如,当铁被置于磁场中以相同的方式排列不成对的电子时,就会产生一个聚合磁场,并且吸引其它磁体。

因为钚的外层电子数目持续改变,未成对电子无法排列在磁场中,因此钚不能产生磁性。

Janoschek说,钚的特性处于周期表的两组元素之间。“看看钍、铀和镎 - 他们表现得像过渡金属,更偏像金属。”他说。当你往更重的元素(周期表的右边)看过去,则跟它们相反。“当你看到镅或者更右边,这些元素看起来更像是稀土。” 稀土 - 钕是很好的磁铁,而过渡金属通常不是。

此实验不仅是为了印证钚的奇怪特性。该数学方法随着发现钚的怪异电子数,也能够帮助科学家预测新材料的一些可能表现。在这之前,确定这种性质的唯一方法就是使用电能或者磁场加热或者压缩它们。而现在,有了这种方法可以预测。

“材料的预测理论是非常重要的,因为我们最终将在电脑上模拟和预测这些材料的属性。”罗格斯大学的物理教授Gabriel Kotliar说道,他是第一个计算出该算法的科学家之一。“就像放射性物质钚这样,数学比实际做一个实验更便宜。”

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这也有助于解释钚的另一个奇怪的特性 – 当被电流加热或者流过时,钚比其他金属膨胀或者收缩得更多。这一点对制造原子弹很重要。工程师们早就了解了这种形状的变化,但现在他们终于知道了其中的原因。

该研究发表在7月10日的Science Advances.上。

本文译自 livescience,由译者 小松鼠 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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