Фаза | Кристаллическая структура | Плотность (г / см) |
---|---|---|
альфа (α) | простая моноклинная | 19,86 |
бета (β) | телесноцентрированный моноклинический | 17,70 |
гамма (γ) | орторомбический с центрированным лицом | 17,14 |
дельта (δ) | гранецентрированная кубическая | 15,92 |
дельта. простая (δ ′) | объемноцентрированная тетрагональная | 16,00 |
эпсилон (ε) | объемно-центрированный кубический | 16,51 |
Плутоний встречается во множестве аллотропов, даже при атмосферном давлении. Эти аллотропы сильно различаются по кристаллической структуре и плотности; аллотропы α и δ различаются по плотности более чем на 25% при постоянном давлении.
Плутоний обычно имеет шесть аллотропов и образует седьмой (дзета, ζ) ниже высокая температура и ограниченный диапазон давления. Эти аллотропы имеют очень похожие уровни энергии, но значительно различаются плотности и кристаллические структуры. Это делает плутоний очень чувствительным к изменениям температуры, давления или химического состава и допускает резкие изменения объема после фазовых переходов. В отличие от большинства материалов, плутоний увеличивает плотность при плавлении на 2,5%, но жидкий металл показывает линейное уменьшение плотности с температурой. Плотность разных аллотропов колеблется от 16,00 г / см до 19,86 г / см.
Присутствие этого множества аллотропов очень затрудняет механическую обработку плутония, так как он очень легко меняет состояние. Например, α-фаза существует при комнатной температуре в нелегированном плутонии. Он имеет характеристики механической обработки, аналогичные чугуну, но переходит в β-фазу (бета-фазу) при несколько более высоких температурах. Причины сложной фазовой диаграммы не совсем понятны; Недавние исследования были сосредоточены на построении точных компьютерных моделей фазовых переходов. Α-фаза имеет низкосимметричную моноклинную структуру, отсюда ее плохая проводимость, хрупкость, прочность и сжимаемость.
Плутоний в δ-фазе (дельта-фаза) обычно существует в диапазоне от 310 ° C до 452 ° C, но стабильно при комнатной температуре, когда легировано с небольшим процентным содержанием галлия, алюминия или церий, улучшающий технологичность и позволяющий сваривать в оружии. Дельта-фаза имеет более типичный металлический характер и примерно такая же прочная и пластичная, как алюминий. В оружии деления взрывные ударные волны, используемые для сжатия плутониевого ядра, также вызовут переход от обычного плутония в дельта-фазе к более плотной альфа-фазе, что значительно поможет достичь сверхкритичность. плутоний-галлиевый сплав является наиболее распространенным δ-стабилизированным сплавом.
Галлий, алюминий, америций, скандий и церий могут стабилизировать δ-фазу плутония при комнатной температуре. Кремний, индий, цинк и цирконий допускают образование метастабильного δ-состояния при быстром охлаждении. Большое количество гафния, гольмия и таллия также позволяет удерживать часть δ-фазы при комнатной температуре. Нептуний - единственный элемент, который может стабилизировать α-фазу при более высоких температурах. Титан, гафний и цирконий стабилизируют β-фазу при комнатной температуре при быстром охлаждении.
Фазовая диаграмма плутония (данные 1975 года) Фазовая диаграмма деталь для более низких давлений