พลูโทเนียมเป็นโลหะ แต่มันจะไม่ติดกับแม่เหล็กนักวิทยาศาสตร์ที่ทำให้งงมานานหลายทศวรรษ ตอนนี้นักวิจัยอาจพบว่า "แม่เหล็กที่ขาดหายไป" นี้
ที่ซ่อน? อิเล็กตรอนที่ล้อมรอบทุกอะตอมของพลูโทเนียมพบว่ากลุ่มนำโดย Marc Janoschek จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอาลามอส
การค้นพบพวกเขากล่าวว่าอาจนำไปสู่ความสามารถในการทำนายและปรับคุณสมบัติของวัสดุใหม่ได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น -ประถมที่รักของฉัน: 8 องค์ประกอบที่คุณไม่เคยได้ยิน-
พื้นฐานอะตอม
อิเล็กตรอนหมุนไปรอบ ๆอะตอมในเปลือกหอยหรือที่เรียกว่า orbitals แต่ละวงโคจรมีจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่สามารถเก็บได้ ในโลหะธรรมดาจำนวนอิเล็กตรอนในวงโคจรด้านนอกสุดได้รับการแก้ไข -ทองแดงตัวอย่างเช่นมีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวและเหล็กมีสองตัวในเปลือกนอกนั้น ไม่มีพลังงานอื่น ๆ ที่เพิ่มเข้ามาในอะตอม (ความร้อนหรือไฟฟ้าเป็นต้น) อิเล็กตรอนอยู่ในสถานะพลังงานต่ำสุดที่เรียกว่าสถานะพื้นดิน
หากต้องการทราบว่าอิเล็กตรอนของพลูโทเนียมมีลักษณะอย่างไรในสถานะพื้นดินนี้ทีมของ Janoschek ยิงลำแสงนิวตรอนที่ตัวอย่างพลูโทเนียม ทั้งนิวตรอนและอิเล็กตรอนมีสนามแม่เหล็กและทุ่งนาเหล่านั้นมีช่วงเวลาแม่เหล็ก ช่วงเวลาแม่เหล็กหมายถึงปริมาณและทิศทางของแรงที่จำเป็นในการจัดตำแหน่งวัตถุในสนามแม่เหล็ก ในขณะที่ช่วงเวลาของนิวตรอนและอิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กันทีมของ Janoschek ได้สังเกตสถานะของพื้นดินของอิเล็กตรอนซึ่งเปิดเผยจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอก
นั่นคือเมื่อพวกเขาพบว่าพลูโทเนียมอาจมีอิเล็กตรอนสี่, ห้าหรือหกในเปลือกนอกในสถานะพื้นดิน นักวิทยาศาสตร์ที่พยายามอธิบายคุณสมบัติแปลก ๆ ขององค์ประกอบก่อนหน้านี้สันนิษฐานว่าจำนวนได้รับการแก้ไขแล้ว
แต่นั่นไม่ใช่สิ่งที่การศึกษาใหม่แสดงให้เห็น “ มันผันผวนระหว่างการกำหนดค่าที่แตกต่างกันสามแบบ” Janoschek กล่าว "มันอยู่ในทั้งสามในเวลาเดียวกัน"
พื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับสถานการณ์แปลก ๆ นี้ถูกวางในปี 2550 เมื่อนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยรัทเกอร์ได้พัฒนาเครื่องมือทางคณิตศาสตร์ใหม่ที่สันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนของพลูโทเนียมสามารถผันผวนได้ด้วยวิธีนี้ การทดลอง LOS Alamos เป็นการทดสอบครั้งแรกของทฤษฎีและได้พิสูจน์แล้วว่าถูกต้อง
คุณสมบัติแปลก ๆ ของพลูโทเนียม
ความผันผวนนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมพลูโทเนียมจึงไม่ได้เป็นแม่เหล็กแม่เหล็กรับกำลังของพวกเขาจากอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่ อิเล็กตรอนแต่ละตัวเป็นเหมือนแม่เหล็กเล็ก ๆ ที่มีขั้วโลกเหนือและขั้วโลกใต้ เมื่ออิเล็กตรอนเติมเปลือกของอะตอมพวกเขาแต่ละคนเข้ามาวางไว้โดยลำพังและช่วงเวลาแม่เหล็กชี้ไปในทิศทางเดียวกัน เมื่ออิเล็กตรอนเติมเปลือกหอยมากขึ้นพวกเขาจับคู่กับขั้วเหนือและขั้วใต้แต่ละอันหันหน้าเข้าหากันเพื่อให้สนามแม่เหล็กยกเลิกออกไป แต่บางครั้งอิเล็กตรอนไม่สามารถหาพันธมิตรได้ ตัวอย่างเช่นเมื่อเหล็กถูกวางไว้ในสนามแม่เหล็กอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่จะเข้าแถวในลักษณะเดียวกันสร้างสนามแม่เหล็กรวมและดึงดูดแม่เหล็กอื่น ๆ -9 ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับแม่เหล็ก-
เนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกนอกของพลูโทเนียมยังคงเปลี่ยนแปลงไปเรื่อย ๆ อิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่จะไม่เข้าแถวในสนามแม่เหล็กดังนั้นพลูโทเนียมจึงไม่สามารถกลายเป็นแม่เหล็กได้
Janoschek กล่าวว่าคุณสมบัติของพลูโทเนียมวางองค์ประกอบระหว่างสองชุดองค์ประกอบบนตารางธาตุ- "ดูทอเรียมกับยูเรเนียมและเนปจูน - พวกเขาทำตัวเหมือนโลหะทรานซิชันพวกเขาได้รับโลหะมากขึ้น" เขากล่าว ในขณะที่คุณย้ายไปยังองค์ประกอบที่หนักกว่า (ไปทางขวาบนตารางธาตุ) การเปลี่ยนแปลงนั้น "เมื่อคุณไปถึงอเมริกาและมากกว่านั้นพวกเขาดูเหมือนโลกหายาก" โลกหายากเช่นนีโอไดเมียมทำแม่เหล็กที่ดีมากในขณะที่โลหะทรานซิชันมักจะไม่ทำ
การทดลองทำมากกว่าเพียงแค่บากคุณสมบัติแปลก ๆ ของพลูโทเนียม เทคนิคทางคณิตศาสตร์ในการทดลองพร้อมกับการค้นพบอิเล็กตรอนแปลก ๆ ของพลูโทเนียมสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทำนายได้ว่าวัสดุใหม่อาจประพฤติตนอย่างไร จนถึงตอนนี้วิธีเดียวที่จะปักหมุดพฤติกรรมนี้คือการทดลองเช่นการให้ความร้อนแก่พวกเขาหรือตีด้วยไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก ตอนนี้มีวิธีที่จะรู้ล่วงหน้า
“ ทฤษฎีการทำนายวัสดุเป็นเรื่องใหญ่เพราะในที่สุดเราจะสามารถจำลองและทำนายคุณสมบัติของวัสดุบนคอมพิวเตอร์ได้” กาเบรียล Kotliar ศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ของรัทเกอร์และนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่ทำงานคณิตศาสตร์ครั้งแรก "สำหรับวัสดุกัมมันตภาพรังสีเช่นพลูโทเนียมนั้นราคาถูกกว่าการทดลองจริง"
นอกจากนี้ยังช่วยอธิบายคุณสมบัติแปลก ๆ ของพลูโทเนียม - องค์ประกอบขยายและหดตัวมากกว่าโลหะอื่น ๆ ที่ทำเมื่อถูกความร้อนหรือ zapped ด้วยกระแสไฟฟ้า นั่นเป็นสิ่งสำคัญในการสร้างระเบิดนิวเคลียร์เนื่องจากพลูโทเนียมจะต้องมีรูปร่างอย่างแม่นยำ วิศวกรมานานแล้วเรียนรู้ที่จะอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง แต่ตอนนี้พวกเขารู้ว่าทำไมมันถึงเกิดขึ้น
การศึกษาถูกตีพิมพ์ในฉบับวันนี้ (10 กรกฎาคม)ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์-
ติดตามเรา@livescience-Facebook-Google+- บทความต้นฉบับเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์สด-
