방사분포함수

Radial distribution function
( ) 의 계산
ard = 0.71, n = T에 있는 레나드-존스 모델 유체의 방사형 분포 함수

통계역학에서 입자계(atoms, 분자, 콜로이드 등)의 방사상 분포함수 (또는 쌍상관함수) g( g (r는 기준 입자로부터의 거리의 함수로서 밀도가 어떻게 변화하는지 설명한다.

주어진 입자를 원점 O에 두고, = / V = (가) 입자의 평균 수 밀도라면, O로부터 거리 의 국부 시간 평균 밀도는 g ( ){\ g이다 이 단순화된 정의는 동종등방성 시스템에 대해 유지된다. 좀 더 일반적인 경우를 아래에서 고려해 볼 것이다.

가장 간단한 용어로 그것은 이상적인 기체에 대한 그것과 비교하여 주어진 기준 입자에서 떨어진 r의 거리에서 입자를 찾을 확률을 측정한 것이다. 일반 알고리즘에는 입자로부터 r + r{\r+ 거리에 얼마나 많은 입자가 있는지 결정하는 것이 포함된다. 이 일반적인 테마는 오른쪽에 묘사되어 있는데, 여기서 붉은 입자는 우리의 기준 입자이고, 푸른 입자는 주황색으로 점철된 원형 껍질 안에 중심이 있는 입자들이다.

방사형 분포 함수는 보통 모든 입자 쌍 사이의 거리를 계산하여 히스토그램으로 빈으로 만들어 결정한다. 그런 다음 히스토그램은 입자 히스토그램이 완전히 상관관계가 없는 이상적인 기체에 대해 정규화된다. 3차원의 경우 이 정규화는 시스템 ) 에 구형 쉘의 체적을 곱한 수밀도로, 상징적으로 4 r 로 표현할 수 있다

잠재적 에너지 함수가 주어질 경우 방사상 분포 함수는 몬테카를로 방법과 같은 컴퓨터 시뮬레이션 방법이나 또는 페르쿠스-예빅 근사치 또는 하이퍼넷트 체인 이론과 같은 근사 폐쇄 관계를 사용하여 Ornstein-Zernike 방정식을 통해 계산할 수 있다. 또한 전통적인 현미경 또는 콘코칼로컬 현미경을 통해 충분히 큰(마이크로미터 크기) 입자에 대한 직접 시각화 또는 방사선 산란 기법에 의해 실험적으로 결정할 수 있다.

방사형 분포 함수는 커크우드-버프 솔루션 이론을 사용하여 미시적 세부 사항을 거시적 특성에 연결시킬 수 있기 때문에 기본적으로 중요하다. 더욱이 커크우드-버프 이론의 반전에 의해 거시적 특성으로부터 방사형 분포 함수의 미시적 세부 사항을 얻을 수 있다.

정의

Consider a system of particles in a volume (for an average number density ) and at a temperature (let us also define ). The particle coordinates are , with . The potential energy due to the interaction between particles is 그리고 우리는 외부적으로 적용되는 분야의 경우를 고려하지 않는다.

The appropriate averages are taken in the canonical ensemble , with the configurational 적분, 입자 위치의 가능한 모든 조합을 인수한다. r 1 { \mathbf {\mathbf {} 등에서 입자 을 찾을 확률은 다음과 같다.

.

(1)

입자의 총수가 커서 P 그 자체로는 그다지 유용하지 않다. 하지만 우리는, 유일한 n의 위치를<>축소된 구성,;N{\displaystyle n&lt의 확률을 얻을 수 있다.N}입자, 남아 있는 N− n{N-n\displaystyle}입자들에 대한 제약 조건들과 r1…, rn{\displaystyle\textstyle \mathbf{r}_{1}\,\ldots ,\,\mathbf{r}_{n}}에 고정되어 있다. 이를 위해 (1)을 좌표 r n+ , 에 대해 통합해야 한다

{}

입자가 동일하다면, n 이(가) 모든 순열에서 r {}, r {r을 차지할 확률을 고려하는 것이 더 목적이다.

.

(2)

= 의 경우 (2) 결정의 경우 격자 부위에서 날카로운 최대치를 갖는 주기적인 함수인 1입자 밀도를 제공한다. (동종) 액체의 경우, 1 } 위치와 독립적이며, 시스템의 전체 밀도와 동일하다.

이제는 상관 함수 ( g을(를) 다음에 도입할 차례다.

.

(3)

( 원자가 서로 독립되어 있으면 ( 간단히 n 같으므로 원자 간의 상관관계는 수정되기 때문에 상관 함수라고 한다.

(3)과 (2)부터는 다음과 같다.

{+1}\ {d}_{N},} .

(4)

g(r) 관련 관계

구조계수

그것이 직접 시스템의 구조 인자이고 따라서 실험적으로 X선 회절 또는 중성자 회절을 사용하여 결정될 수 있다(를 푸리에 변환을 통해)관련된(2)(r1, r2){\displaystyle g^{(2)}(\mathbf{r}_{1},\mathbf{r}_{2})g은 2차 상관 관계 함수}특별한 중대하다.[1]

If the system consists of spherically symmetric particles, depends only on the relative distance between them, . We will drop the sub- and superscript: . Taking particle 0 as fixed at the origin of the coordinates, is the average n d 3 r {\ d에서 찾을 수 있는 입자 움버( N-

We can formally count these particles and take the average via the expression , with 앙상블 평균, 항복:

(5)

여기서 두 번째 평등은 1,, - 의 동등성을 요구한다 The formula above is useful for relating to the static structure factor , defined by

, 따라서 다음과 같다.

, proving the Fourier relation alluded to above.

This equation is only valid in the sense of distributions, since is not normalized: , so that 는) 볼륨으로 분산되어 구조 인자의 원점에서 Dirac 피크로 이어진다. 이 기여는 실험적으로 접근할 수 없기 때문에 위의 방정식에서 빼서 구조 계수를 정규 함수로 재정의할 수 있다.

.

마지막으로 ( ) S () S의 이름을 바꾸고, 시스템이 액체인 경우 다음과 같은 동위원소를 호출할 수 있다.

.

(6)

압축성 방정식

(6) = 에서 평가하고 등온 압축성 T 와 원점에서 구조 계수 사이의 관계를 사용하면 압축성 방정식이 산출된다.

.

(7)

평균 힘의 잠재력

방사형 분포 함수는 다음을 통해 평균 w( )( r) 의 2개 입자 전위와 관련됨을[2] 알 수 있다.

(8)

희석한 한계에서 평균 힘의 잠재력은 평형점 구성이 g ( ) 을 갖는 정확한 쌍 잠재력이다

에너지 방정식

If the particles interact via identical pairwise potentials: , the average internal energy per particle is:[3]: Section 2.5

.

(9)

주의 압력 방정식

에너지 방정식을 개발하면 다음과 같은 상태의 압력 방정식이 발생한다.

.

(10)

3차원 열역학적 특성

방사상 분포 기능은 잠재적 에너지와 압력 등 몇 가지 주요 열역학적 특성을 계산할 수 있기 때문에 중요한 척도가 된다.

입자가 쌍으로 된 전위를 통해 상호작용하는 3-D 시스템의 경우 시스템의 잠재적 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있다.[4]

여기서 N은 의 입자 수, , }은는) 숫자 밀도, r )은 쌍 전위(pair parent)이다.

시스템 압력은 또한 () 에 두 번째 처녀 계수를 연관시켜 계산할 도 있다. 압력은 다음과 같이 계산할 수 있다.[4]

서 T 은 온도가 되고 k 볼츠만의 상수다. ( ) 의 계산과 관련된 평균 때문에 전위와 압력의 결과가 이러한 속성을 직접 계산하는 것만큼 정확하지 않다는 점에 유의하십시오

근사치

희석 시스템(예: 기체)의 g( ) 이(가) 설명하는 입자 위치의 상관관계는 참조 입자에 의한 잠재적 ( ) 에 의한 것일 뿐 간접 영향은 무시한다. 첫 번째 근사치에서 볼츠만 분포 법칙에 의해 간단히 주어진다.

(11)

If were zero for all – i.e., if the particles did not exert any influence on each other, then for all and the mean local density would be equal to the mean density : the O에서 입자의 존재는 입자 주위의 입자 분포에 영향을 미치지 않을 것이며 기체는 이상적일 것이다. 이(가) 유의한 r 의 기호에 따라 평균 로컬 밀도가 ) 다를 수 있음부호) .

기체의 밀도가 증가함에 따라 r {에 위치한 입자가 기준 입자의 영향을 받는 O의 입자뿐만 아니라 다른 인접 입자와도 상호작용을 경험하기 때문에 저밀도 한계는 점점 정확도가 낮아진다. 이러한 매개 상호작용은 밀도에 따라 증가하는데, 이는 상호작용할 이웃이 더 많기 때문이다: 가상 방정식과 유사한 ( ) 의 밀도 확장을 쓰는 것이 물리적으로 타당하다.

r)\quad {+\n=1}{}^\ ^{n.

(12)

이러한 유사성은 우연이 아니다. 실제로 위의 관계에서 열역학적 매개변수(등가 7, 9 10)를 대체하면 그에 상응하는 처녀적 팽창이 발생한다.[5] 함수 ( r) y(를) 공동 분포 함수로 한다.[3]: Table 4.1 고정밀도와 고정된 양의 온도에서 고전적인 유체의 경우 평형 상태에서 ( r 를 생성하는 유효 쌍 전위는 존재하는 경우 최대 첨가 상수까지 고유하다는 것이 밝혀졌다.[6]

최근에는 격자나 네트워크와 같이 공간적으로 배설되는 데이터를 위한 쌍상관함수 개발에 어느 정도 관심을 기울이고 있다.[7]

실험적인

중성자 산란 또는 X선 산란 데이터를 사용하여 ( ) 을(를) 간접적으로 결정할 수 있다(구조 인자 ( )과의 관계를 통해). 이 기법은 매우 짧은 길이의 척도(원자 수준까지)에서[8] 사용할 수 있지만 상당한 공간과 시간 평균(각각 표본 크기와 획득 시간 초과)을 포함한다. 이렇게 하여 액체금속부터[9] 충전된 콜로이드에 이르는 다양한 시스템에 대해 방사상 분포 기능이 결정되었다.[10] 실험 () 에서 ( r) 으)[11] 가는 것은 간단하지 않으며 분석이 상당히 관련될 수 있다.

기존의 이나 콘코칼로컬 현미경에서 입자 위치를 추출하여 ( r 를 직접 계산할 수도 있다.[12] 이 기술은 입자 충분히 광검파(는 마이크로 미터 범위에서)에 큰 것까지,실테지만, 정적 정보로부터 그것은 또한(예를 들어 확산 constants[13])고 또한(개별 입자의 수준으로), 그것을 허락할 space-resolved 동적 매개 변수에 액세스 할 수 있time-resolved 수 있다는 이점을 한정되어 있다. 로 콜로이드 결정,[14] 안경,[15][16] 겔,[17][18] 유체 역학 상호작용에서 국소 구조의 형태학과 역학을 밝힌다.[19]

2D 분자 가스의 경우 스캐닝 터널링 현미경 검사를 통해 전체(거리 의존 및 각도 의존) 쌍 상관 함수의 직접 시각화를 달성했다.[20]

고차상관함수

방사형 분포함수만으로는 구조정보의 특성화에 미흡하다는 점에 주목했다. 구별되는 점 공정은 퇴행성 문제로 알려진 동일하거나 실질적으로 구별할 수 없는 반경 분포 함수를 가질 수 있다.[21][22] 이 경우 구조를 더 자세히 설명하려면 고차 상관 함수가 필요하다.

> {\가) 있는 고차 분포 함수는 일반적으로 시스템의 열역학에는 덜 중요하기 때문에 덜 연구되었고, 동시에 기존의 산란 기법으로는 접근할 수 없기 때문이다 그러나 그것들은 일관성 있는 X선 산란으로 측정될 수 있으며, 질서 없는 시스템에서 국부 대칭이 드러날 수 있는 한 흥미롭다.[23]

참조

  1. ^ Dinnebier, R E; Billinge, S J L (March 10, 2008). Powder Diffraction: Theory and Practice (1st ed.). Royal Society of Chemistry. pp. 470–473. doi:10.1039/9781847558237. ISBN 978-1-78262-599-5.
  2. ^ Chandler, D. (1987). "7.3". Introduction to Modern Statistical Mechanics. Oxford University Press.
  3. ^ a b Hansen, J. P. and McDonald, I. R. (2005). Theory of Simple Liquids (3rd ed.). Academic Press.{{cite book}}: CS1 maint : 복수이름 : 작성자 목록(링크)
  4. ^ a b Frenkel, Daan; Smit, Berend (2002). Understanding molecular simulation from algorithms to applications (2nd ed.). San Diego: Academic Press. ISBN 978-0122673511.
  5. ^ Barker, J.; Henderson, D. (1976). "What is "liquid"? Understanding the states of matter". Reviews of Modern Physics. 48 (4): 587. Bibcode:1976RvMP...48..587B. doi:10.1103/RevModPhys.48.587.
  6. ^ Henderson, R. L. (September 9, 1974). "A uniqueness theorem for fluid pair correlation functions". Physics Letters A. 49 (3): 197–198. Bibcode:1974PhLA...49..197H. doi:10.1016/0375-9601(74)90847-0. ISSN 0375-9601.
  7. ^ Gavagnin, Enrico (June 4, 2018). "Pair correlation functions for identifying spatial correlation in discrete domains". Physical Review E. 97 (1): 062104. arXiv:1804.03452. Bibcode:2018PhRvE..97f2104G. doi:10.1103/PhysRevE.97.062104. PMID 30011502. S2CID 50780864.
  8. ^ Yarnell, J.; Katz, M.; Wenzel, R.; Koenig, S. (1973). "Structure Factor and Radial Distribution Function for Liquid Argon at 85 °K". Physical Review A. 7 (6): 2130. Bibcode:1973PhRvA...7.2130Y. doi:10.1103/PhysRevA.7.2130.
  9. ^ Gingrich, N. S.; Heaton, L. (1961). "Structure of Alkali Metals in the Liquid State". The Journal of Chemical Physics. 34 (3): 873. Bibcode:1961JChPh..34..873G. doi:10.1063/1.1731688.
  10. ^ Sirota, E.; Ou-Yang, H.; Sinha, S.; Chaikin, P.; Axe, J.; Fujii, Y. (1989). "Complete phase diagram of a charged colloidal system: A synchro- tron x-ray scattering study". Physical Review Letters. 62 (13): 1524–1527. Bibcode:1989PhRvL..62.1524S. doi:10.1103/PhysRevLett.62.1524. PMID 10039696.
  11. ^ Pedersen, J. S. (1997). "Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer solutions: Modeling and least-squares fitting". Advances in Colloid and Interface Science. 70: 171–201. doi:10.1016/S0001-8686(97)00312-6.
  12. ^ Crocker, J. C.; Grier, D. G. (1996). "Methods of Digital Video Microscopy for Colloidal Studies". Journal of Colloid and Interface Science. 179 (1): 298–310. Bibcode:1996JCIS..179..298C. doi:10.1006/jcis.1996.0217.
  13. ^ Nakroshis, P.; Amoroso, M.; Legere, J.; Smith, C. (2003). "Measuring Boltzmann's constant using video microscopy of Brownian motion". American Journal of Physics. 71 (6): 568. Bibcode:2003AmJPh..71..568N. doi:10.1119/1.1542619.
  14. ^ Gasser, U.; Weeks, E. R.; Schofield, A.; Pusey, P. N.; Weitz, D. A. (2001). "Real-Space Imaging of Nucleation and Growth in Colloidal Crystallization". Science. 292 (5515): 258–262. Bibcode:2001Sci...292..258G. doi:10.1126/science.1058457. PMID 11303095. S2CID 6590089.
  15. ^ M.I. 오조반, D.V. 루즈갱-루즈긴 방사형 분포 함수를 통한 유리 전환 시 구조 변화 공개 J. 체육 Chem. B, 124 (15), 3186-3194 (1994) https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c00214
  16. ^ Weeks, E. R.; Crocker, J. C.; Levitt, A. C.; Schofield, A.; Weitz, D. A. (2000). "Three-Dimensional Direct Imaging of Structural Relaxation Near the Colloidal Glass Transition". Science. 287 (5453): 627–631. Bibcode:2000Sci...287..627W. doi:10.1126/science.287.5453.627. PMID 10649991.
  17. ^ Cipelletti, L.; Manley, S.; Ball, R. C.; Weitz, D. A. (2000). "Universal Aging Features in the Restructuring of Fractal Colloidal Gels". Physical Review Letters. 84 (10): 2275–2278. Bibcode:2000PhRvL..84.2275C. doi:10.1103/PhysRevLett.84.2275. PMID 11017262.
  18. ^ Varadan, P.; Solomon, M. J. (2003). "Direct Visualization of Long-Range Heterogeneous Structure in Dense Colloidal Gels". Langmuir. 19 (3): 509. doi:10.1021/la026303j.
  19. ^ Gao, C.; Kulkarni, S. D.; Morris, J. F.; Gilchrist, J. F. (2010). "Direct investigation of anisotropic suspension structure in pressure-driven flow". Physical Review E. 81 (4): 041403. Bibcode:2010PhRvE..81d1403G. doi:10.1103/PhysRevE.81.041403. PMID 20481723.
  20. ^ Matvija, Peter; Rozbořil, Filip; Sobotík, Pavel; Ošťádal, Ivan; Kocán, Pavel (2017). "Pair correlation function of a 2D molecular gas directly visualized by scanning tunneling microscopy". The Journal of Physical Chemistry Letters. 8 (17): 4268–4272. doi:10.1021/acs.jpclett.7b01965. PMID 28830146.
  21. ^ Stillinger, Frank H.; Torquato, Salvatore (May 28, 2019). "Structural degeneracy in pair distance distributions". The Journal of Chemical Physics. 150 (20): 204125. Bibcode:2019JChPh.150t4125S. doi:10.1063/1.5096894. ISSN 0021-9606. PMID 31153177. S2CID 173995240.
  22. ^ Wang, Haina; Stillinger, Frank H.; Torquato, Salvatore (September 23, 2020). "Sensitivity of pair statistics on pair potentials in many-body systems". The Journal of Chemical Physics. 153 (12): 124106. Bibcode:2020JChPh.153l4106W. doi:10.1063/5.0021475. ISSN 0021-9606. PMID 33003740. S2CID 222169131.
  23. ^ Wochner, P.; Gutt, C.; Autenrieth, T.; Demmer, T.; Bugaev, V.; Ortiz, A. D.; Duri, A.; Zontone, F.; Grubel, G.; Dosch, H. (2009). "X-ray cross correlation analysis uncovers hidden local symmetries in disordered matter". Proceedings of the National Academy of Sciences. 106 (28): 11511–4. Bibcode:2009PNAS..10611511W. doi:10.1073/pnas.0905337106. PMC 2703671. PMID 20716512.
  • 위덤, B. (2002) Statistical Mechanics: 화학자들을 위한 간결한 소개. 케임브리지 대학교 출판부
  • 맥쿼리, D. A. (1976년) 통계역학. 하퍼 콜린스 출판사.

참고 항목