鈽元素不像其他金屬的奇怪原因

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鈽

鈽(Plutonium)是一種金屬,卻不會吸附磁鐵,這困惑了科學家數十年。如今研究者可能找到了這個「不知去向的磁性」。磁性到底躲去哪?電子圈住每一個鈽的原子,這是由隸屬於美國Los Alamos National Laboratory的Marc Janoschek主導的研究團隊所發現。他們說,這項發現可以使預測與協調新原料屬性的能力更加精確。

原子的基本原理

電子像殼一般會在原子周圍環繞,這叫做軌域(orbitals)。每一個軌域都有一個它能承載的特定電子極大數。一般金屬中,距離中心最遠的軌域其電子數量是固定的──例如銅有一個電子,而鐵有兩個電子。沒有任何其他能量加諸於原子(例如溫度或電流),電子就會處於最低能量狀態,被稱為基態(ground state)。

原子

欲發現鈽的電子在基態中長什麼模樣,Janoschek率領的團隊對鈽發射一道許多中子的光。中子和電子皆有磁場,而那些磁場有磁矩(magnetic moments)。磁矩是許要把磁場裡的物體排列好所需的力量與方向的量。當中子與電子的磁矩互動,Janoschek的團隊觀察到一種電子基態的特徵,此揭示了電子在外圍軌道的數量。

同時他們發現鈽可能有四個、五個或六個電子在外圍軌道處於基態。過去不斷嘗試解釋該元素奇特屬性的科學家們認為數量是固定的。

鈽-電子

然而新研究得出不同結果。Janoschek說:"在三種不同的組態中它會有所變動。它同時就在三種不同狀態中。"

由此奇怪情況所發展的理論基礎於2007年被提出,當時美國羅格斯大學的物理學家開發出一個新型數學工具,假設了鈽的電子會一樣方式浮動。Los Alamos的實驗是該理論的初次試驗,而理論被證實是正確的。

鈽元素的奇特屬性

此浮動可以解釋為何鈽沒有磁性。磁鐵從不成對的電子得到它們吸附的能量。每一個電子就像一個有南北極之分的微小磁鐵。當電子佈滿於原子外圍,它們各有各自的位置,而且磁矩對準同一方位。當更多電子佈滿外圍,它們會成一對,然後南極對北極互相對應,於是磁場抵消。但有時候一個電子找不到伴。譬如,當鐵同樣被置於一個磁場,裡面所有不成對的電子會一樣的排列,創造出一個聚集態磁場並且吸引其他磁鐵。

鈽元素磁性

因為在鈽元素外圍的電子數持續變動,不成對的電子數就無法在一個磁場裡併排,也因此鈽無法有磁性。

Janoschek說鈽的屬性使這元素被歸類在元素週期表上兩組元素之間。"看看從釷元素、鈾元素和錼元素──它們就像過渡金屬,會越來越有金屬性。"如果你看較重的元素(到元素週期表的右邊),這會改變。"一旦你理解了鋂元素甚至更多,它們就不只是稀土元素。"稀土元素如銣能夠組成很棒的磁鐵,但過渡金屬通常不行。

這項實驗不只是發現另一個鈽元素的奇怪屬性。實驗中的數學方法以及鈽的奇特電子數,這項發現能夠幫助科學家預測新的物質如何作用。以前要確定物質如何作用的唯一方法就是將它們加溫,或是用電流或磁場與之碰撞。而現在有一個方法可以提前知道。

美國羅格斯大學物理學專家、同時也是第一個計算出該數學方法的其中一名科學家Gabriel Kotliar說:"一套有預測性的物質原理是至關重要的大事,因為我們最後都可以用電腦模擬並預測物質的屬性。對於放射性物質(例如鈽)來說,做一項實驗的代價過於高昂。"

鈽炸彈

它同樣有助於解釋鈽元素另一個奇特的屬性──加熱或用電流電它時,該元素膨脹與收縮的程度多於其他金屬。該屬性在製作核子彈上很重要,因為鈽元素一定要精準成型。很久以前的工程師能夠找出這樣的形體改變,但現在他們終於知道為何發生了。
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來源: Livescience

 

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