Фазови съотношения, структурни и електронни свойства на феропериклаза при високо налягане и
Фазови съотношения, структурни и електронни свойства на феропериклаза при високо налягане и температура
Глава 5. Спинов преход във феропериклаз в условия на мантия.
Глава 5 представя резултатите както от експериментални измервания, така и от теоретични изчисления на промяната в спиновото състояние на железните йони при високо налягане и свързаните с това промени във физичните свойства на феропериклаза.
Необичайно широкият диапазон от налягания, в които HS и HC състоянията съществуват едновременно, показва, първо, че промяната в обема по време на този преход е минимална, и второ, че преходът не е кооперативен, т.е. различните железни йони променят спиновото си състояние независимо един от друг.
При нормално налягане разликата в йонните радиуси на Fe 2+ (S=4) и Fe 2+ (S=0) е значителна (около 0,16 E), което предполага значително намаляване на обема по време на спиновия преход. Очевидно кривите на свиваемост на Fe 2+ (S=4) и Fe 2+ (S=0) йони са различни: желязото има по-малък размер, но също така е по-малко свиваемо. При налягане от около 40±70 GPa разликата между радиусите на HS и HC железните йони вече е много по-малка. Скокът в обема при условния преход 2+ (S=4) → 2+ (S=0) в FeO може да бъде от порядъка на 0,5 - 1%. Скокът на обема в разредения феропериклаз ще бъде само части от процента и всъщност ще бъде под чувствителността на експерименталните методи, налични при тези налягания.
Изследването на температурната зависимост на спиновия преход във феропериклаза показа необичаен резултат. Във феропериклаз със състав (Mg0.8Fe0.2)O повишаването на температурата до 750 К не променя нито налягането на началото на прехода, нито ширината на преходната зона. За пробата (Mg0.95Fe0.05)O се наблюдава намаляване на преходното налягане с повишаване на температурата с около 1 GPa на 100 K. ОтОт общи съображения трябва да се очаква обратният ефект: повишаването на температурата трябва да стабилизира състоянието HS както поради термично разширение, така и поради приноса на ентропията (електронната ентропия на състоянието HS е по-висока от тази на състоянието HC). Необичайните експериментални резултати могат да бъдат обяснени и от гледна точка на промяна в реда на къси разстояния. Ако приемем, че промяната в спиновото състояние на желязото в твърд разтвор е постепенна и броят на различните спинови състояния е в термично равновесие, тогава частта от HB и LH на железни йони за всеки тип клъстер се описва от разпределението на Болцман. В този случай повишаването на температурата води до увеличаване на ширината на прехода за всеки тип клъстер и в същото време намаляването на обменните взаимодействия води до намаляване на разликата между клъстерите от различни типове. Комбинацията от тези два фактора води до резултата, наблюдаван в експеримента. Ако екстраполираме предложения стъпков модел към температурите на долната мантия, тогава преходът става удължен, заемайки целия интервал на дълбочина на тази геосфера.
Едно от най-важните възможни последствия от спиновия преход за физическите характеристики на мантията се счита за значителна промяна в радиационната топлопроводимост по време на прехода от HS към LS състояние [13]. Авторът е извършил директни измервания на спектрите на оптична абсорбция във видимата и близката инфрачервена част на спектъра върху монокристал (Mg0.88Fe0.12)O. В диапазона на налягането от 51 до 84 GPa, спектрите на абсорбция показват промени, съответстващи на спиновия преход на железни йони. Въпреки промените в спектъра, общото поглъщане в диапазона 2500 - 7500 cm-1 се променя относително слабо (фиг. 6). Изчисляването на абсорбцията на топлинно излъчване при 2500 K показа, че феропериклазът в NS състояние абсорбира само 15% повече отСлънчево състояние, което не е в състояние да повлияе значително на конвекцията на топлина в мантията.