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1、第47卷第3期1998年3月物理学报Vol.47,No.3,March,199810003290/98/47(3)/043807ACTAPHYSICASINICA1998Chin.Phys.Soc.Al和Sn液态结构的温度变化特性秦敬玉边秀房王伟民(山东工业大学材料学院,济南250061)S.I.Sliusarenko(乌克兰国家科学院金属物理研究所,基辅142252142)(1997年7月21日收到;1997年9月10日收到修改稿)通过对Al和Sn的液态X射线衍射数据的分析,发现Al和Sn的液体结构随温度的变化都存在突变.A
2、l的突变发生在10501250的温度区间内,Sn有两个突变点,一个在800左右,另一个在1200附近.随着温度的升高,两种液态金属的平均最近邻原子间离r1都呈现减小的趋势.在短程尺度上Sn的液体结构类似于Sn的结构.对相关半径rc的物理意义进行了探讨.PACC:6110F;6125M1引言已有的X射线衍射数据表明,Al和Sn具有不同类型的结构因子,分别属于两类性质[1]差别较大的元素群.因为液态Al中原子之间的相互作用势具有比较简单的形式,所以[2]液体结构理论和辐射实验的研究中均有涉及.然而,Al的液体结构随温度的变化规律还不明确,尚需做更
3、多的工作.[3]固体Sn是一种多型性晶体,Sn具有金刚石结构;液态Sn的结构因子具有复杂[1][4]的形式,不能用硬球无规密堆模型来描述.研究还发现SnNa合金的结构因子上出现的预峰(prepeak)等更为复杂的特征,是与Sn4分子内的共价键有关.这说明需要对Sn的液体结构进行更为深入的研究.将Al和Sn作对比研究的目的是突出不同种类元素的液体结构随温度变化规律的共同特点,同时也有利于探讨相关半径的物理意义.2实验过程!∀#型液态金属X射线衍射仪由乌克兰国家科学院金属物理研究所设计制造.该机的主要性能指标如下:角度精度0001!,采样时
4、间精度0001s,温度精度∀5,最高温度达到1800左右.为了减小Al的表面张力带来的影响,采用较大的刚玉样品池,尺寸为25mm#30mm#8mm.由液态样品上散射的X射线,用∃∃方式测量,这时样品处于水平静止不动,X射线管和探测器相向转动,X射线从液体的自由表面上反射,其波3期秦敬玉等:Al和Sn液态结构的温度变化特性439长约为%=0071nm(MoK),石墨单色反射器放置在反射束中.习惯上将2∃称为散射角-1度,它的扫描范围为590!,覆盖的波矢量的模Q=4&sin(∃)/%从约5到120nm.扫描步长分区设定,第一峰区域∋2∃=0
5、2!,第一峰以前区域∋2∃=05!,第二峰区域∋2∃=05!,第二峰以后区域∋2∃=1!,信息量大的区域步长小,反之则步长大.将Al(99999%)和Sn(9999%)样品预处理后放入样品室,用分子泵将样品室抽真-65空至约2#10Pa,而后充入高纯(9999%)He气至13#10Pa;样品在该气氛下被加热到预定温度后开始X射线衍射实验.3数据处理[1]液态和非晶态X射线衍射强度的分析方面已经有常规的方法.为了讨论方便,下面给出一些要点.测量强度可以被转换成以电子单位表示的每原子的相干散射强度coh[1][5]Ieu(Q).利用推广的K
6、roghMoeNorman方法,通过查表得到原子的散射因子包括[6]coh反常色散因子,用Cromer和Mann给出的值修正康普顿散射.Ieu(Q)是X射线散射强度对结构敏感的部分,%sin(Qr)coh222Ieu(Q)=+∃4&r[((r)-(0]dr,(1)0Qr式中f是原子散射因子,((r)是径向密度函数,(0是平均原子数密度.液体的结构因子S(Q)(FaberZiman)和双体相关函数g(r)分别为coh222S(Q)=[Ieu(Q)-+]/,(2)g(r)=((r)/(0.(3)双体相关函数g(r)与结
7、构因子S(Q)通过傅里叶变换建立联系,即%1g(r)=1+2Q[S(Q)-1]sin(Qr)dQ.(4)2&r(0∃0径向分布函数RDF为2r%22RDF=4&r(0g(r)=4&r(0+Q[S(Q)-1]sin(Qr)dQ.(5a)&∃0用对称法计算配位数的公式为rmax2Ns=2∃4&r(0g(r)dr,(5b)r0式中rmax是RDF第一峰的位置,r0是靠近RDF第一峰左边数值为零的位置.[7]相关半径rc的定义式为g(rc)=1∀002.(6)理论上在r较大处g(r)=1,((r)=(0,液态金属中的原子呈现统计分布,原子间的相关性消失
8、.实际上由于衍射实验和密度测量都存在误差,在(6)式所确定的rc处原子的相关[8]性已经消失,所以rc叫做相
