研究揭开因瓦合金低温不膨胀之谜

2011-8-08 09:35 来源: 中国科学院
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  因瓦合金的热膨胀系数极低,能在很宽的温度范围内保持固定长度。日本研究人员日前发表论文说,量子波动是因瓦合金在低温条件下不膨胀的原因。

  因瓦合金也叫“不变钢”,是一种铁镍合金,它的热膨胀系数极低,在从极低温度到超过室温这样很宽的温度范围内都能保持固定长度,适合做测量元件。瑞士物理学家纪尧姆1897年发现了这种奇异的合金,并凭借此成果获得1920年诺贝尔物理学奖。

  日本自然科学研究机构分子科学研究所日前发布公报说,因瓦合金在室温以上环境中不膨胀的原因有科学解释,但在低温状态下不膨胀,过去一直没有合理解释。

  公报说,科学家魏斯1963年用一个简单的模型成功解释了“因瓦效应”,合金里的铁原子有两种状态:一种是原子半径大且能量稳定的高自旋状态,另一种是原子半径小且不稳定的低自旋状态。伴随着温度的上升,低自旋状态的密度增加,原子想要收缩,而另一方面温度升高使原子的热振动更加激烈,物质原子间的距离就会拉大,以避免原子之间的碰撞。“因瓦效应”就是上述两种效果正好相抵消,合金就不会膨胀。魏斯的模型到目前仍被广泛认可,但是这个模型只能说明,因瓦合金为何在室温以上的环境下不膨胀,没有充分揭示其在低温条件不膨胀的原因。

  自然科学研究机构分子科学研究所教授横山利彦等人利用同步辐射加速器产生的射线束以及X射线吸收精细结构(XAFS)分光法,详细分析了因瓦合金中的铁原子和镍原子的原子间距离随温度变化而产生的变化,测定了铁和镍局部的热膨胀,并进行了基于魏斯模型的经典力学计算。研究结果表明,低温环境下的“因瓦效应”不遵循魏斯模型,其主要成因是量子波动。

  公报说,因瓦合金具备非常有用的特性,探明带来这种特性的机制,将有助于今后的材料研发。