Кіріспе

Кристаллографиядағы математикалық сипаттама Конденсацияланған материя физикасы мен кристаллографияда статикалық құрылым факторы (немесе қысқаша құрылым факторы) - материалдың түсу сәулесін қалай шашыратуының математикалық сипаттамасы. Құрылымдық фактор рентген сәулелері, электронды және нейтронды дифракциялық эксперименттерден алынған шашырау үлгілерін (интерференциялық үлгілерді) түсіндіруде маңызды құрал болып табылады. Бір қызығы, математикалық тұрғыдан екі түрлі термин қолданылады, екеуі де "құрылымдық фактор" деп аталады. Бірі әдетте жазылады; ол жалпыға бірдей жарамды және атомға шашыраған интенсивті бір шашырату бірлігімен байланыстырады. Екіншісі әдетте жазылады немесе және тек ұзақ аралықтағы позициялық реттік кристалдары бар жүйелер үшін жарамды. Бұл өрнек кристалл жазықтықтарының дифракцияланған сәуле амплитудасы мен фазасын (жарықтардың Миллер индекстері) бастапқы бірлік жасушасының ұшындағы бір шашырату бірлігімен байланыстырады. ; - бұл ерекше жағдай емес, шашыраудың интенсивтілігін береді, бірақ амплитудасын береді. Бұл шашыраудың интенсивтілігін беретін модульдің квадраты. Бұл норма кристаллдың толықтай толығымен қалыптасуы үшін анықталады, және кристаллографияда қолданылады, ал тәртіпсіз жүйелер үшін өте пайдалы. Кристалликалық полимерлер сияқты ішінара реттелген жүйелер үшін, әрине, бір-біріне сәйкес келеді, ал сарапшылар қажет болған жағдайда бір өрнектен екіншісіне ауысады. Статикалық құрылым коэффициенті шашыраған фотондар/электрондар/нейтрондардың энергиясын шешпей өлшенеді. Энергиялық ажыратылған өлшемдер динамикалық құрылым коэффициентін береді.

Цинк-бленді кристалдық құрылымы

Цинк-бленді құрылымы алмаз құрылымына ұқсас, бірақ ол бір элементтің емес, екі түрлі бір-біріне енетін fcc торларының құрамасы. Құрамындағы екі элементті және , арқылы белгілеп , алынған құрылым коэффициенті

Бір және екі өлшемді кемелді кристалдар

Өзара тор бір өлшемде оңай құрастырылады: периодты сызықтағы бөлшектер үшін өзара тор - аралықтары бар нүктелердің шексіз массиві. Екі өлшемде Брауэстің тек бес торлары бар. Тиісті өзара торлардың симметриясы тікелей тормен бірдей. 2D торлары төмендегідей жазық экранда қарапайым дифракциялық геометрияны көрсету үшін өте жақсы. Құрылымдық фактор үшін (1) 7) теңдеулер шектеулі өлшемді шашырау векторымен қолданылады және кристаллографиялық құрылым факторы 2D-де мынадай түрде анықталуы мүмкін. Алайда, графен сияқты нақты 2D кристалдары 3D-де бар екенін еске түсірейік. Жазық қабаттағы 3D кеңістікте бар 2D алты бұрышты табақтың өзара торлары - бұл ор оське параллель сызықтардың алты бұрышты массиві, ол алты бұрышты нүктелер массивіне кез келген тұрақты жазықтықты кеңейтіп қисайды. Суретте 2D өзара тордың бір векторының құрылысы және оның шашырау экспериментімен байланысы көрсетілген. Паралель сәуле, толқын векторы параметрдің квадраттық торға түседі. Шашыраған толқын белгілі бір бұрышта анықталады, ол шығыс сәуле толқын векторын анықтайды (эластикалық шашыратуды болжамдай отырып). Шашырау векторын да анықтап, гармониялық үлгісін де құрастыруға болады. Суреттелген мысалда, осы үлгілердің арақашықтығы бөлшектер қатары арасындағы қашықтықпен сәйкес келеді: , сондықтан барлық бөлшектердің шашырауына үлестері фазада (конструктивті кедергі). Осылайша, бағыт бойынша жалпы сигнал күшті және кері торға жатады. Бұл конфигурация Брэгг заңының орындалғанын оңай көрсетеді.

Кемел кристалдар

Техникалық тұрғыдан алғанда, кемелді кристалл шексіз болуы керек, сондықтан шекті өлшем - бұл кемелсіздік. Нағыз кристаллдар әрқашан өздерінің шекті мөлшерінен басқа өздерінің тәртіптерінің кемелсіздігін көрсетеді, және бұл кемелсіздер материалдың қасиеттеріне терең әсер етуі мүмкін. Андре Гвиниер кристаллдың ұзақ мерзімді тәртібін сақтайтын кемелсіздіктер мен оны екінші түрдегі бұзылу деп аталатын бұзылушылықты жою арасындағы кеңінен қолданылатын айырмашылықты ұсынды. Біріншісі - жылулық тербеліс, екіншісі - дислокациялардың тығыздығы. Кез келген кемшіліктің әсерін қосу үшін жалпы қолданылатын құрылым факторын пайдалануға болады. Кристаллографияда бұл әсерлер құрылым факторынан бөлек ретінде қарастырылады, сондықтан өлшем немесе жылу әсерлері үшін бөлек факторлар шашыраңқы интенсивтілік өрнегіне енгізіліп, кристалл құрылымының толық факторы өзгермейді. Сондықтан осы мақалада кристаллографиялық құрылымды модельдеу және дифракция арқылы құрылымды анықтаудағы осы факторларды егжей-тегжейлі сипаттау орынсыз.

Шекті өлшемді әсерлер

Бұл әсерді ең оңай 1D нүктелер торымен көрсетуге болады. Фазалық факторлардың қосындысы геометриялық қатар болып табылады және құрылым коэффициенті: Бұл функция Суретте әр бөлшектен шашырау фазада болған кезде, яғни шашырау өзара тор нүктесінде болған кезде, амплитудалардың қосындысы болуы керек және сондықтан интенсивтілік бойынша максимумдар жоғарыда көрсетілген өрнекті алып, шекті шамалау, мысалы, L'Hôpital ережесін қолдану) Суретте көрсетілгендей. Орта нүктеде (тікелей бағалау арқылы) және шыңның шыңдығы төмендейді, мысалы, үлкен шекте, шыңдар шексіз өткір Дирак дельта функциялары, 1 D тораптың өзара тораптары болады. Кристаллографияда, үлкен болса, дифракцияға формальды өлшем әсері ретінде алынады, бұл жоғарыда көрсетілгенге ұқсас, өзара тор нүктелеріне жақын. Конвольсияны пайдаланып, біз шекті нақты кристалл құрылымын [тор] [негізгі] тікбұрышты функция ретінде сипаттауға болады, мұнда тікбұрышты функция кристалдың ішінде 1 және оның сыртында 0 мәнін алады. [Кристалл құрылымы] = [жатырша] [негізгі] [тұғын төрт бұрышты функция]; яғни, шашырау [өзара жатырша] [құрылым факторы] [синк функция]. Осылайша, кемшіліксіз кристаллдың орналасуының дельта функциясы болып табылатын интенсивтілік, ең үлкені , ені , ауданы бар әрбір нүктеге қатысты функцияға айналады.

Идеалдық газ

Қарым-қатынассыз шектеу жағдайында жүйе идеалдық газ болып табылады және құрылым факторы мүлдем ерекшеліксіз: , өйткені әр түрлі бөлшектердің орналасуы мен арасындағы байланыстылық жоқ (олар тәуелсіз кездейсоқ айнымалылар), сондықтан теңдеудегі диагональдан тыс терминдер нөлге тең: .

Жоғары шек

Тіпті өзара әрекеттесетін бөлшектерде де, жоғары шашырау векторында құрылым коэффициенті 1-ге дейін барады. Бұл нәтиже теңдеуден туындайды, өйткені "дәстүрлі" функцияның Фурье түрлендіруі болып табылады және осылайша аргументтің жоғары мәндері үшін нөлге барады. Бұл ойлау кемелді кристалл үшін жарамсыз, онда үлестіру функциясы шексіз өткір шыңдарды көрсетеді.

Қатты сфералы сұйықтықтар

Қатты сфералық модельде бөлшектер радиусы бар өткізбейтін сфералар ретінде сипатталады; осылайша, олардың орталығынан ортаға дейінгі арақашықтық және олар осы арақашықтықтан тыс өзара әрекеттесуді сезінбейді. Олардың өзара әрекеттесу потенциалын былай жазуға болады: Бұл модельде PercusYevick шамасында талдамалық шешім бар. Бұл өте қарапайым болса да, сұйық металдардан бастап коллоидты суспензияларға дейінгі жүйелерді жақсы сипаттауды қамтамасыз етеді. Суретте қатты сфералы сұйықтық үшін құрылым коэффициенті 1% -дан 40% -ға дейінгі көлемді фракциялар үшін көрсетілген.

Полимерлер

Полимерлік жүйелерде жалпы анықтама қолданылады; элементарлық құрамдас бөліктер қазір тізбектерді құрайтын мономерлер болып табылады. Алайда, құрылым факторы бөлшектердің орналасуы арасындағы байланысты өлшейтін болғандықтан, осы байланыстың сол тізбекке немесе әртүрлі тізбектерге жататын мономерлер үшін әртүрлі болады деп күтуге болады. Көлiкте бiрдей молекулалар бар деп алайық, олардың әрқайсысы мономерлерден тұрады, мысалы (осы полимерленудiң дәрежесi деп те аталады). Біз оны былайша жаза аламыз: әр молекуланың әр түрлі мономерлері мен әр түрлі молекулаларды белгілейтін индекстер. Оң жағында молекулааралық және молекулааралық терминдерді бөлдік. Тізбектердің теңдестігін пайдаланып, оңайлатуға болады: жалғыз тізбектің құрылым факторы қайда?