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对于钚元素，科学家们往往关注其复杂的原子能，但对其作为金属和化学物质的特性可能知之甚少。在3月29日最新一期的《自然》杂志上，来自美国新泽西州罗格斯大学（Rutgers University）的研究人员揭开了钚元素一些神奇的物理和化学性质的秘密。

领导该研究的罗格斯大学物理与天文学系副教授Kristjan Haule表示，在凝聚态（固体）金属钚中，钚原子核外价电子会在极短的时间尺度内，在核外不同电子层轨道间波动。而早前的电价理论认为，核外不同轨道的电子数量是确定的。这一新的发现能够解释钚元素的一些反常性质，比如与许多金属不同，钚既没有磁性，也不是电的良导体，而且外界温度和压力的微小改变会引起钚体积的巨大变化。

Haule表示，尽管此前各种不同的理论为钚原子5f轨道分配了不同的电子数目，有的说是4个，有的说是5个甚至是6个，但这些理论都认为该轨道电子数量应该是确定的。它们都能解释一些钚元素的特性，但没有一个能够与所有的实验证据相吻合。

因此，罗格斯大学的科学家抛弃了钚原子5f层具有确定电子数量的想法，重新对凝聚态钚进行了研究，得出了钚原子5f层价电子能在不同轨道间波动所的罕见结论。研究人员确定出钚原子有80%的时间5f层有5个电子，约20%时间该数目为6个，还有不到1%的时间是4个电子。Haule表示，钚元素价电子波动理论能够解释钚的所有属性。

这一新的研究成果融合了两种理论，即局域密度近似（Local Density Approximation，简称LDA）和动力学平均场理论（Dynamical Mean Field Theory，简称DMFT）。这两种理论都不能单独解释所有观察到的钚的属性。

除此之外，该理论还准确地预测了95号元素镅和96号元素锔的属性。这两种元素具有相似原子结构，但磁性和导电性截然不同。

Haule和同事的研究属于物理学的分支——凝聚态物理，研究固体和液体物质的物理属性。此次的研究集中在强关联材料，比如钚以及和它同一族的稀土元素，它们都拥有强烈相互作用的电子，尤其是f轨道的电子具有高度的局域态，因此，不能将电子作为一个个独立的实体进行研究。这一最新的研究成果无疑将为科学家预测所有这些复杂材料的特性提供新的方法和理论，为创造出适用于能源、工业和医药等多个领域更安全且更通用的核反应材料开辟了道路。