非晶、玻璃與液體結構

靜態結構因子(static structure factor)

當你用 X 光、中子或電子照射晶體時,散射波只在尖銳的特殊角度相加,給出亮斑——布拉格峰(Bragg peaks)。用同一束光照射沒有晶格的液體或玻璃,發生的卻不同:不是斑點,而是寬闊模糊的環,稱為瀰漫暈環(diffuse halos)。靜態結構因子,寫作 S(Q),就是把那散射強度對散射角(打包成散射向量大小 Q)作圖後的形狀。它是無序材料在偵測器上實際記錄到的東西,也是液體或玻璃結構的原始指紋。

S(Q) 是徑向分布函數在頻率空間的搭檔:兩者是一組精確的傅立葉轉換對。液體的 S(Q) 在數值 1 附近溫和振盪:它有一個寬闊的主峰,位於大約對應「2 times pi 除以最近鄰間距」的 Q 處(常在約 2 到 3 每埃倒數),然後是漸弱的隆起,到高 Q 淡出成平坦的 S(Q) = 1。把這與晶體對照:晶體的 S(Q) 是坐落於倒晶格點上、無限尖銳的一片尖峰林;玻璃那些寬闊的隆起,正是這些尖峰在長程有序被摧毀時「熔化」成的樣子。由於 S(Q) 與 g(r) 帶有相同的資訊,你在實驗中量 S(Q),再把它作傅立葉轉換以取得實空間的 g(r)——這整套流程稱為全散射或 PDF 分析。

實務上的好處是,S(Q) 可直接觀測且定量。主峰的位置給出主導的原子間距;峰的寬度告訴你結構關聯延續多遠(峰越窄,代表有序延續到越大的距離);而低 Q 處一個明顯的特徵——第一尖銳繞射峰——揭示中程有序。要萃取可靠的 g(r),你必須把 S(Q) 量到一個很大的最大 Q,因為太早截斷的傅立葉轉換會在 g(r) 中製造虛假的漣漪——這是一個真實而著名的假影。一個誠實的提醒:對含有一種以上原子的材料,單一的 X 光 S(Q) 是所有配對關聯的加權混合,因此要理清哪種原子與哪種配對,通常需要數個實驗(X 光加中子,或同位素置換)。

窗玻璃的繞射圖沒有尖銳斑點——只有一、兩個寬闊、鬼影般的環。把它畫成強度對 Q 的圖,這些環就成了 S(Q) 的隆起:一個大的第一隆起在約 2 每埃倒數處,由矽氧網絡的間距決定,外加一個在更低 Q 處、較弱的凸起,報告著中程的環結構。把整條 S(Q) 作傅立葉轉換便還原出 g(r),Si-O 距離與矽的四配位便由此直接掉出來。

晶體給尖銳的布拉格斑點;玻璃或液體給寬闊瀰漫的暈環,被記錄為 S(Q)。

玻璃的寬闊暈環不是「沒有繞射」,也不是來自微小晶體的模糊布拉格斑點——它們是無序結構真正的繞射圖。解讀它們需要轉換整條 S(Q),而不只是量一個環落在哪裡;過早截斷這個轉換,會偽造出本不存在的漣漪。

又称
S(Q)S(k)liquid structure factor結構因子 S(Q)總散射結構因子