2.4 Struktur amorpher Festkörper

In einem Kristall sind alle Atompositionen durch die Translationsvektoren a, b und c bekannt. Bei amorphen Festkörpern benötigte man jedoch eine Liste von 1020 Einträgen, um die Atompositionen anzugeben. Deshalb sind hier zur Beschreibung der Struktur statistische Methoden notwendig. Dafür gibt es gewisse Voraussetzungen:

Wichtig ist außerdem die ortsabhängige Teilchenzahldichte n(x). Es handelt sich um die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen im Volumenelement d3x anzutreffen. Der Term n(x)d3x ist die Zahl der Teilchen, die sich im Volumenelement d3x am Ort x befinden. Die gröbste, einfachste Beschreibung der Teilchenzahldichte erhalten wir durch:

            N-
n0 = (n(x)) = V

Es handelt sich hierbei um die mittlere Teilchendichte. Diese ist bei amorphen Festkörpern etwa 1% bis 10% kleiner als in Kristallen. Die ideale Abweichung wollen wir nun durch die Paarkorrelations-/Zweiteilchenkorrelationsfunktion beschreiben. Es ist ein Vergleich mit Modellrechnungen und Beugungsexperimenten möglich. Wir nehmen nun an, daß nur eine einzige Teilchensorte vorliegt und fragen nach der Wahrscheinlichkeit für Teilchenmittelpunkt am Ort x' im Volumen d3x', wenn gleichzeitig am Ort x im d3x schon ein anderes ist, wobei es nicht auf den Ort x, sondern auf den Verschiebungsvektor r = x'-x (relative Lage der beiden Teilchen) ankommt.

PIC

Die kann jetzt mit Hilfe der Teilchenzahldichte annähern. Die Wahrscheinlichkeit, ein Teilchen in d3x zu finden ist proportional zu n(x)d3x. Das Teilchen gleichzeitig in d3x' bei x' zu finden, ist proportional zu n(x)n(x-r)d3xd3x'. Jetzt betrachten wir nicht ein bestimmtes d3x bei x, sondern irgendein Volumenelement in v. Die Wahrscheinlichkeit ist dann proportional zum Integral

     integral 
d3x'  n(x)n(x+ r)d3x

Wir betrachten nun die dimensionslose Größe mit dem Erwartungswert <n(x)n(x + r)>:

|---------------------|
|      1              |
|g(r) = n2<n(x)n(x+ r)>|
--------0--------------

Man nennt diese Größe Paarkorrelationsfunktion; sie ist definitionsgemäß gleich Null für r = 0.

Einfache Beispiele:
Wir betrachten einen eindimensionalen Festkörper, welcher aus harten Kugeln mit dem Durchmesser a besteht.

PIC

Ein wichtiger Parameter ist nun:

    L -N  .a
l = --------
       N

Diese Größe charakterisiert den Zwischenraum pro Teilchen. Wir haben zwei Grenzfälle:

Den allgemeinen Fall findet man analysiert im ZERUKE und PRINZ Festkörperphysik 41, 184 (1927).

PIC

PIC

Hierbei handelt es sich um Oszillationen. Dies entspricht einer lokalen Ordnung (Nahordnung). In drei Dimensionen funktioniert dies ähnlich:

PIC