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锕系四氟化物电子结构的显著可变性

2021-10-08 10:03     来源:美国能源部     放射性核素

钍、铀、镎和钚的四氟化砷粉末显示出一系列的颜色,暗示着其电子结构的可变性。这里显示的色块是根据Munsell系统来标记的。

图片由太平洋西北国家实验室的Stephanie King提供。

科学

科学家们已经合成了四种放射性元素--钍、铀、镎和钚的四氟化物粉末。这四种元素是锕系元素,是一系列的重金属和放射性元素。四氟化物粉末仅仅是每一个锕系原子有四个氟化物原子的粉末。在这项新的研究中,科学家探测了这些粉末的磁场。这揭示了这些粉末的电子结构的显著变化,尽管它们具有几乎相同的晶体结构。这些研究揭示了周期表中整个锕系元素的价电子从流动到局部行为的转变;也就是说,对于该系较轻元素的原子,其外壳中的电子可以与邻居共享,而对于较重的元素,电子则被限制在原子中。这项研究为今后研究具有类似晶体结构的其他材料的电子配置提供了基础。

影响

阳离子元素是生产核燃料和其他能源技术的关键。因此,科学家们需要对这些元素的电子结构进行准确描述。这将有助于研究人员开发未来的核燃料、超导体和其他材料。这项研究提出了一种绘制锕系元素中电子结构独特演变的新方法。未来的研究将寻求理论描述,将实验观察与基本结构联系起来。

摘要

诸如铀和钚等锕系元素在能源和国防技术中发挥着主导作用。然而,实现这些技术的全部潜力所需的科学进步在重元素的分析中面临着复杂的理论问题。由于需要采取特殊措施来管理放射性危害,使用这些先进技术也面临着实际困难。在这项研究中,研究人员合成了一系列放射性锕系四氟化物粉末。这些元素(钍、铀、镎和钚)连接着周期表中锕系的重端和轻端,并显示出相同的四氟化物形式的晶体结构。然后,科学家们通过使用核磁共振(NMR)光谱绘制局部场图来探测四氟化砷的电子结构。光谱实验是在放射化学处理实验室放射学核磁共振设施中进行的,该设施拥有为分析放射性样品而定制的仪器,包括两台核磁共振谱仪和一台宽带核四极共振谱仪。这项工作可以作为未来f族元素的电子相关研究的指南。

联系人

赫尔曼-曹

西北太平洋国家实验室物理和计算科学局

hm.cho@pnnl.gov

资助

这项工作得到了能源部科学办公室、基础能源科学计划、化学科学、地球科学和生物科学司、重元素化学计划的支持。

出版物

Walter, E.D., et al., Measurement of Local Magnetic Fields in Actinide Tetrafluorides. 化学物理杂志》154, 211101 (2021). doi: 10.1063/5.0052323

中国核能高质量发展大会

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