Плутоний, хотя и является металлом, но не обладает магнитными свойствами. Причины этого явления интересуют учёных уже в течение нескольких десятилетий с момента его открытия. Недавно удалось внести ясность в этот вопрос, причём открытое явление позволяет создавать новые материалы.
Строение атома можно условно представить как вращение электронов вокруг ядра по условным линиям, которые называют орбитали. На каждой орбитали может находиться не более определённого количества электронов. В большинстве металлов количество электронов на внешней оболочке фиксировано (например, у меди и железа – один электрон). При отсутствии энергетического воздействия на атом (например, излучения или электричества) внешние электроны находятся в т.н. «основном» состоянии с низкой энергией.
Группа учёных во главе с Марком Яношеком (Marc Janoschek) из Лос-Аламосской национальной лаборатории провели исследования электронов плутония в основном состоянии. Они облучали нейтронами образец плутония. Как нейтроны, так и электроны обладают магнитным моментом, который имеет численное значение и направление. При взаимодействии магнитных моментов нейтронов и электронов можно установить количество электронов во внешних оболочках.
Как выяснилось, атом плутония может иметь на внешней оболочке в основном состоянии 4, 5 или 6 электронов. При этом один и тот же атом может колебаться между этими различными состояниями (или, пользуясь терминологией квантовой механики, представляет собой суперпозицию этих трёх состояний).
Теоретически такие свойства плутония были предсказаны учёными из университета Ратжерса (Rutgers University) ещё в 2007 году. Вышеописанные исследования в Лос-Аламосской лаборатории подтвердили их экспериментально.
Такое колебание количества электронов на внешней орбите атома плутония объясняет отсутствие у него магнетизма. Магнитные свойства атомов определяются магнитными моментами «непарных» электронов. В атоме магнитный момент каждого из электроном может быть ориентирован только одним из двух вариантов. При этом в одном и том же квантовом состоянии могут находиться не более двух электронов с противоположно ориентированными магнитными полюсами. В результате их магнитные свойства взаимно уничтожаются. Однако иногда один из электронов в атоме не может найти себе пару. Так бывает, например, в атоме железа. Если образец железа поместить в магнитное поле, то одиночные электроны на внешних оболочках в атомах железа будут ориентированы в направлении этого магнитного поля, в результате чего этот кусок железа получит магнитные свойства.
В плутонии же, поскольку количество электронов на внешней оболочке постоянно меняется, то отдельные электроны в нём никогда не выстраиваются в магнитном поле и поэтому плутоний не может стать магнитным.
Как отмечает Марк Яношек, по этим своим свойствам плутоний в ряду актиноидов является промежуточным элементом между двумя различными группами. Более лёгкие актиноиды (торий, протактиний, уран, нептуний) по своим химическим свойствам напоминают переходные металлы с преобладанием металлических свойств. Однако при переходе к более тяжёлым элементам вправо по периодической таблице (к америцию и далее) наблюдается всё большее сходство актиноидов с редкоземельными элементами. При этом из многих редкоземельных металлов, таких как неодим, можно изготовить хорошие магниты.
Проведённое исследование свойств плутония оказалось важным и для материаловедения в целом, т.к. подтвердило возможность математического моделирования поведения внешних электронов в атоме. Ранее это можно было узнать только экспериментальным путём, исследуя образец вещества с помощью электрических и магнитных полей. Теперь стало известно, что свойства элементов можно моделировать на компьютере. Как отметил разработчик этого метода математического моделирования профессор Габриэль Котляр (Gabriel Kotliar),
«для радиоактивных материалов, наподобие плутония, это намного дешевле, чем проводить реальный эксперимент».
Проведённое исследование позволяет объяснить и ещё одно странное свойство плутония – при нагревании или пропускании электрического тока он изменяется в объёме значительно сильнее, чем другие металлы. Это важно учитывать, поскольку при изготовлении ядерных зарядов нужны образцы плутония строго определённых массы и формы. Хотя это свойство было известно давно, но только сейчас стало понятно, почему так происходит.
