Seltsame Grund Plutonium verhält sich nicht wie andere Metalle
Plutonium ist ein Metall, aber sie halten nicht an einem Magneten, rätselhafte Wissenschaftler seit Jahrzehnten. Jetzt können Forscher dieser "fehlenden Magnetismus." gefunden haben
Das Versteck? Elektronen, die jedes Atom von Plutonium, umgeben findet die Gruppe unter der Leitung von Marc Janoschek des Los Alamos National Laboratory.
Die Feststellung, sie sagen, die Fähigkeit zur Vorhersage und die Eigenschaften neuer Materialien genauer einstellen könnte. [Elementar, mein lieber: 8 Elemente, die Sie noch nie von gehört]
Atomaren Grundlagen
Elektronen drehen sich Atome in Schalen, auch bekannt als orbitale. Jedes Orbital hat eine bestimmte maximale Anzahl von Elektronen halten kann. In gewöhnlichen Metallen ist die Anzahl der Elektronen in der äußersten Schale fixiert – Kupfer, beispielsweise hat ein Elektron, und Eisen verfügt über zwei in die Außenhülle. Fehlt jede andere Energie hinzugefügt, das Atom (Wärme oder Strom, zum Beispiel) die Elektronen befinden sich im niedrigsten Energie, genannt ein Grundzustand.
Um herauszufinden, wie Plutonium der Elektronen in diesem Grundzustand aussah, feuerte Janoschek Team einen Strahl von Neutronen an ein Plutonium-Probe. Die Neutronen und Elektronen haben Magnetfelder, und diese Felder haben magnetischen Momente. Ein magnetisches Moment bezieht sich auf die Menge und die Richtung der Kraft benötigt, um ein Objekt in einem Magnetfeld ausrichten. Wie die Neutronen und Elektronen Momente interagiert, beobachtet Janoschek Team eine Art Signatur Grundzuständen der Elektronen, die die Anzahl der Elektronen in der äußeren Schale offenbart.
Das ist, wenn sie fanden Plutonium hätte vier, fünf oder sechs Elektronen in der äußeren Schale in den Grundzustand. Wissenschaftler, die versuchten, die ungeraden Elementeigenschaften erklären hatte zuvor angenommen, die Anzahl festgelegt wurde.
Aber das ist nicht das, was die neue Studie zeigte. "Es schwankt zwischen drei unterschiedlichen Konfigurationen," sagte Janoschek. "Es ist in allen drei zur gleichen Zeit."
Die theoretische Grundlagen für diesen seltsamen Zustand legte im Jahr 2007, als Physiker an der Rutgers University ein neues mathematisches Werkzeug entwickelt, das davon ausgegangen, dass Plutonium die Elektronen auf diese Weise schwanken könnte. Das Los Alamos-Experiment ist der erste Test der Theorie, und es hat richtig erwiesen.
Plutonium ungeraden Eigenschaften
Diese Schwankungen kann erklären, warum Plutonium nicht magnetisch. Magnete erhalten Sie ihre klebende macht von ungepaarten Elektronen. Jedes Elektron ist wie ein kleiner Magnet mit einem Nord- und einen Südpol. Wenn Elektronen eines Atoms Schalen füllen, sie jeweils einzeln ihren Platz einnehmen, und die magnetischen Momente zeigen in die gleiche Richtung. Da mehr Elektronen die Schale füllen, koppeln sie mit Nord- und Südpol jeweils einander gegenüber, dass die Magnetfelder heben sich auf. Aber manchmal kann ein Elektron einen Partner finden. Zum Beispiel wenn Eisen in einem magnetischen Feld die ungepaarten Elektronen gelegt wird alle die gleiche Weise, ein Aggregat Magnetfeld zu schaffen und zieht andere Magnete ausrichten. [9 coole Fakten über Magnete]
Da die Anzahl der Elektronen in der Plutonium-Außenhülle ändert, kann nicht die ungepaarten Elektronen werden nie in einem magnetischen Feld Line-up und so Plutonium magnetische.
Janoschek sagte, dass Plutonium Eigenschaften des Elements zwischen zwei Gruppen von Elementen auf der periodischen Tabelle platzieren. "Blick auf Thorium, Uran und Neptunium – sie Verhalten sich wie Übergangsmetalle, bekommen sie mehr metallisch" sagte er. Wie Sie an schwereren Elementen (auf der rechten Seite auf der periodischen Tabelle), das ändert sich verschieben. "Wann bekommt man bis Americium und darüber hinaus, dass sie wie seltene Erden aussehen." Seltene Erden wie Neodym machen sehr gute Magnete, während Übergangsmetalle oft nicht.
Das Experiment hat mehr als nur Kerbe eine andere seltsame Eigenschaft von Plutonium. Die mathematische Technik im Experiment zusammen mit der Entdeckung der Plutonium seltsame Elektronen konnten Wissenschaftler Vorhersagen, wie neue Materialien helfen könnte zu Verhalten. Bisher war die einzige Möglichkeit, dieses Verhalten festzunageln, Experimente wie sie erwärmen oder schlagen sie mit Strom oder magnetischen Feldern zu tun. Jetzt gibt es eine Möglichkeit, im Voraus wissen.
"Eine prädiktive Theorie der Materialien ist eine große Sache, denn wir werden schließlich zu simulieren und Vorhersagen, Eigenschaften von Materialien auf einem Computer", sagte Gabriel Kotliar, Professor für Physik an der Rutgers und einer der Wissenschaftler, die zunächst die Mathematik erarbeitet. "Für radioaktive Stoffe wie Plutonium, das ist viel billiger als eine tatsächliche Experiment zu tun."
Es hilft auch, eine andere seltsame Eigenschaft von Plutonium zu erklären – das Element ausdehnt und zusammenzieht, viel mehr als andere Metalle tun, wenn erhitzt oder mit elektrischem Strom zapped. Das ist wichtig, Atombomben, zu machen, da das Plutonium hat genau geformt werden. Ingenieure vor langer Zeit gelernt, dass Formänderung entfallen, aber jetzt wissen sie, warum es passiert.
Die Studie erscheint in der heutigen (10. Juli) Frage der Wissenschaft Fortschritte.
Folgen Sie uns @livescience, Facebook & Google +.