Функция распределения пар - Pair distribution function - Wikipedia

В функция распределения пар описывает распределение расстояний между парами частиц, содержащихся в данном объеме.^[1] Математически, если а и б две частицы в жидкости, функция распределения пар б относительно а, обозначаемый ${\displaystyle g_{ab}({\vec {r}})}$ вероятность найти частицу б на расстоянии ${\displaystyle {\vec {r}}}$ из а, с а принимается за начало координат.

Обзор

Функция парного распределения используется для описания распределения объектов в среде (например, апельсинов в ящике или молекул азота в газовом баллоне). Если среда однородна (т.е. каждое пространственное местоположение имеет идентичные свойства), то существует равная плотность вероятности для нахождения объекта в любом месте. ${\displaystyle {\vec {r}}}$:

${\displaystyle p({\vec {r}})=1/V}$,

куда ${\displaystyle V}$ объем контейнера. С другой стороны, вероятность нахождения пары предметов в данных положениях (т.е. плотность вероятности двух тел) не является однородной. Например, пары твердых шаров должны быть разделены по крайней мере диаметром шара. Функция распределения пар ${\displaystyle g({\vec {r}},{\vec {r}}')}$ получается путем масштабирования двухчастичной функции плотности вероятности на общее количество объектов ${\displaystyle N}$ и размер контейнера:

${\displaystyle g({\vec {r}},{\vec {r}}')=p({\vec {r}},{\vec {r}}')V^{2}{\frac {N-1}{N}}}$.

В общем случае, когда количество объектов в контейнере велико, это упрощает предоставление:

${\displaystyle g({\vec {r}},{\vec {r}}')\approx p({\vec {r}},{\vec {r}}')V^{2}}$.

Простые модели и общие свойства

Простейшая возможная функция распределения пар предполагает, что все местоположения объектов взаимно независимы, что дает:

${\displaystyle g({\vec {r}})=1}$,

куда ${\displaystyle {\vec {r}}}$ это разделение между парой объектов. Однако это неточно в случае твердых объектов, как обсуждалось выше, потому что не учитывается минимальное расстояние, требуемое между объектами. Приближение поправки на отверстие (HC) дает лучшую модель:

${\displaystyle g(r)={\begin{cases}0,&r<b,\\1,&r\geq {}b\end{cases}},}$

куда ${\displaystyle b}$ диаметр одного из объектов.

Хотя приближение HC дает разумное описание редко упакованных объектов, оно не подходит для плотной упаковки. Это можно проиллюстрировать, рассмотрев ящик, полностью заполненный одинаковыми твердыми шарами, так что каждый шар касается своих соседей. В этом случае каждая пара шаров в коробке находится на расстоянии ровно ${\displaystyle r=nb}$ куда ${\displaystyle n}$ положительное целое число. Таким образом, парное распределение для объема, полностью заполненного твердыми сферами, представляет собой набор Дельта-функции Дирака формы:

${\displaystyle g(r)=\sum \limits _{i}\delta (r-ib)}$.

Наконец, можно отметить, что пара объектов, разделенных большим расстоянием, не влияет на положение друг друга (при условии, что контейнер не полностью заполнен). Следовательно,

${\displaystyle \lim \limits _{r\to \infty }g(r)=1}$.

В общем, функция распределения пар принимает форму где-то между моделями с редкой упаковкой (приближение HC) и моделями с плотной упаковкой (дельта-функция), в зависимости от плотности упаковки. ${\displaystyle f}$.

Функция радиального распределения

Особое практическое значение имеет функция радиального распределения, который не зависит от ориентации. Это основной дескриптор атомной структуры аморфных материалов (стекла, полимеры) и жидкостей. Функция радиального распределения может быть рассчитана непосредственно из физических измерений, например рассеяние света или же рентгеновская порошковая дифракция путем выполнения Преобразование Фурье.

В статистической механике PDF определяется выражением

${\displaystyle g_{ab}(r)={\frac {1}{N_{a}N_{b}}}\sum \limits _{i=1}^{N_{a}}\sum \limits _{j=1}^{N_{b}}\langle \delta (\vert \mathbf {r} _{ij}\vert -r)\rangle }$

Приложения

Функция распределения пар тонкой пленки

Когда тонкие пленки неупорядочены, как в электронных устройствах, парное распределение используется для просмотра деформации и структурных свойств этого материала или композиции. Они обладают такими свойствами, которые нельзя использовать в объемной или кристаллической форме. Существует метод с радиальным распределением, который позволяет просматривать локальную структуру неупорядоченной тонкой пленки GeSe2, но создатели этого метода назвали потребность в лучшем методе для просмотра среднего порядка неупорядоченных пленок. При создании тонкопленочной функции распределения пар (tfPDF) используется статистическое распределение среднего порядка материала, что позволяет рассматривать важные детали, такие как беспорядок. В этом методе двумерные данные из метода рассеяния интегрируются, и Фурье преобразуется в одномерные данные, которые показывают вероятность связей в этом материале. TfPDF лучше всего работает в сочетании с другими методами характеризации, такими как просвечивающая электронная микроскопия. Хотя tfPDF является развивающейся методологией, она может дать полные взаимосвязи между структурой и свойством с помощью надежной техники характеризации.

Смотрите также

• метод гиперсетевых цепочек классических карт

Рекомендации

Фишер-Колбри, Биненшток, Фуосс, Маркус. Phys. Ред. B (1988) 38, 12388

Дженсен, К. М., Биллиндж, С. Дж. (2015). IUCrJ, 2 (5), 481-489.

1. "Анализ функции распределения пар (PDF)". Получено 2018-10-26.