17 Konečná krystalová mřížka a její Fourierova transformace. Mřížková a tvarová amplituda

Podobné dokumenty
Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

18 Podmínky pro směry hlavních difrakčních maxim při difrakci na mřížkách

D ALGEBRAICKÁ VYJÁDŘENÍ TVAROVÉ AMPLITUDY MNOHOSTĚNU 1. D Algebraická vyjádření tvarové amplitudy mnohostěnu [1]

8 Věta o Fourierově transformaci funkcí, které lze na sebe transformovat regulární lineární transformací souřadnic

11 Abbeova transformace a Abbeova věta

4 Příklady Fraunhoferových difrakčních jevů

MATEMATICKÉ ZÁKLADY KINEMATICKÉ TEORIE DIFRAKCE. Jiří Komrska

Poznámky k Fourierově transformaci

Krystalografie a strukturní analýza

15 Fourierova transformace v hypersférických souřadnicích

Bakalářská matematika I

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

0.1 Úvod do matematické analýzy

Úvod do zpracování signálů

Matematika I (KMI/PMATE)

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Cílem této kapitoly je uvedení pojmu matice a jejich speciálních typů. Čtenář se seznámí se základními vlastnostmi matic a s operacemi s maticemi

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

2. Numerické výpočty. 1. Numerická derivace funkce

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

OHYB (Napjatost) M A M + qc a + b + c ) M A = 2M qc a + b + c )

#(, #- #(!!$!#$%!! [2], studiu difraktivních. #!$$&$.( &$/#$$ oblasti holografie a difraktivní!# '!% #!!$#!'0!!*#!(#!! #!!! $ % *! $! (!

5. Lokální, vázané a globální extrémy

Matematika (KMI/PMATE)

0.1 Úvod do matematické analýzy

V této kapitole si zobecníme dříve probraný pojem limita posloupnosti pro libovolné funkce.

LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

2 Význam Fourierovy transformace v teorii difrakce

Booleovská algebra. Booleovské binární a unární funkce. Základní zákony.

0.1 Funkce a její vlastnosti

Význam a výpočet derivace funkce a její užití

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

4 Integrální počet funkcí více reálných proměnných

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Definice 7.1 Nechť je dán pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P). Zobrazení. nebo ekvivalentně

Matematika (KMI/PMATE)

Diferenciální počet - II. část (Taylorův polynom, L Hospitalovo pravidlo, extrémy

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

V. Riemannův(dvojný) integrál

2 Spojité modely rozhodování

Kvantová mechanika - model téměř volných elektronů. model těsné vazby

Měření rozložení optické intenzity ve vzdálené zóně

Jazyk matematiky Matematická logika Množinové operace Zobrazení Rozšířená číslená osa

Semestrální projekt. Vyhodnocení přesnosti sebelokalizace VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

1 Skalární vlna a její matematický popis

IV. Základní pojmy matematické analýzy IV.1. Rozšíření množiny reálných čísel

Transformace obrazu Josef Pelikán KSVI MFF UK Praha

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Úlohy k přednášce NMAG 101 a 120: Lineární algebra a geometrie 1 a 2,

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Neideální plyny. Z e dr dr dr. Integrace přes hybnosti. Neideální chování

Maticí typu (m, n), kde m, n jsou přirozená čísla, se rozumí soubor mn veličin a jk zapsaných do m řádků a n sloupců tvaru:

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

7. Rozdělení pravděpodobnosti ve statistice

Praktická statistika. Petr Ponížil Eva Kutálková

Petr Hasil

Vybrané kapitoly z matematiky

Charakterizace rozdělení

2. Difrakce elektronů na krystalu

(Následující odstavce jsou zde uvedeny jen pro zájemce.) , sin2π, (2)

MATICE. a 11 a 12 a 1n a 21 a 22 a 2n A = = [a ij]

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Kapitola 2. o a paprsek sil lze ztotožnit s osou x (obr.2.1). sil a velikost rovnou algebraickému součtu sil podle vztahu R = F i, (2.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Impedanční děliče - příklady

CVIČNÝ TEST 41. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 7 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Příklad. Řešte v : takže rovnice v zadání má v tomto případě jedno řešení. Pro má rovnice tvar

13 Fourierova transformace v polárních souřadnicích. Hankelovy transformace

IB112 Základy matematiky

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

16 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Pojmy z kombinatoriky, pravděpodobnosti, znalosti z kapitoly náhodná veličina, znalost parciálních derivací, dvojného integrálu.

Plošný integrál Studijní text, 16. května Plošný integrál

Přednáška 3: Limita a spojitost

3.2 Rovnice postupné vlny v bodové řadě a v prostoru

KTE / PPEL Počítačová podpora v elektrotechnice

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

VEKTORY. Obrázek 1: Jediný vektor. Souřadnice vektoru jsou jeho průměty do souřadných os x a y u dvojrozměrného vektoru, AB = B A

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

VÝUKOVÝ SOFTWARE PRO ANALÝZU A VIZUALIZACI DIFRAKČNÍCH JEVŮ V OPTICE

Diskrétní náhodná veličina. November 12, 2008

Téma 2: Pravděpodobnostní vyjádření náhodných veličin

9. T r a n s f o r m a c e n á h o d n é v e l i č i n y

3.4.2 Rovnováha Rovnováha u centrální rovinné silové soustavy nastává v případě, že výsledná síla nahrazující soustavu je rovna nule. Tedy. Obr.17.

CVIČNÝ TEST 48. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Kapitola 1: Reálné funkce 1/13

sin(x) x lim. pomocí mocninné řady pro funkci sin(x) se středem x 0 = 0. Víme, že ( ) k=0 e x2 dx.

6. ANALYTICKÁ GEOMETRIE

Transkript:

17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA 1 17 Konečná krystalová mřížka a její Fourierova transformace. Mřížková a tvarová amplituda Konečnou mřížku f x) pravidelně rozmístěný motiv f U x) elementární buňka) v konečné oblasti V N-rozměrného prostoru lze matematicky popsat dvěma formálně odlišnými způsoby: f x) = f U x) δ x x n ), n V f x) = f U x) δ x x n ) s x). n inf 1a) 1b) Výraz 1a) je přirozenější, neboť suma představuje součet konečného počtu sčítanců symbol n V vyjadřuje, že součet tvoří sčítanci, v nichž koncový bod mřížkového vektoru x n 182) patří do oblasti V ). Ve výrazu 1b) se naproti tomu vymezuje konečná oblast V z nekonečné mřížky sčítá se přes všechny hodnoty multiindexu n) pomocí tzv. tvarové funkce s x) charakteristické funkce oblasti V ): s x) = 1, když x V, s x) = 0, když x V. 2) Pokud předpokládáme, že konečná mřížka je tvořena jen kompletními elementárními buňkami, je výraz 1b) nezávislý na pořadí, v němž se provádí konvoluce a násobení a oba výrazy 1a) a 1b) jsou ekvivalentní. Ekvivalentní jsou i Fourierovy transformace obou výrazů 1). Jsou však vyjádřeny různými funkcemi. Fourierova transformace výrazu 1a) je podle 7.31) a 1.32) součinem F X) = F U X)G X), 3) v němž funkce G X) = n V exp ik X x n ) 4) je součtem konečného počtu fázorů, který Laue [1] nazval mřížkovou amplitudou. Je zřejmě periodickou funkcí s 2π k -násobnou periodicitou reciproké mřížky a poněvadž X h x n je celé číslo, je max G X) ) 2π = G X k h = V. 5) V U V Podíl V U je počet elementárních buněk tvořících konečnou mřížku. Fourierova transformace výrazu 1b) je podle 7.31), 7.33), a 4.317) dána výrazem kde F X) = 1 A N V U F U X) h inf S X) = FT {s x)} = A N δ X 2πk X h ) S X), 6)... V exp ik X x ) d N x. 7) Funkci S X) nazval Ewald [2] tvarovou amplitudou. Týmž termínem se označují i veličiny úměrné Fourierově transformaci tvarové funkce, zejména bezrozměrné veličiny S 1 X) = 1 A N V S X) a G 1 X) = 1 A N V U S X). 8) Je zřejmé, že pro X = 0 nabývají absolutní hodnoty těchto veličin maximálních hodnot

2 17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA S 0) = A N V, S 1 0) = 1, G 1 0) = V V U. 9) S použitím tvarové amplitudy G 1 lze přepsat Fourierovu transformaci 6) konečné mřížky do tvaru F X) = F U X) h inf δ X 2πk ) X h G 1 X), 10) jenž má přesně stejnou výstavbu jako výraz 1b) charakterizující konečnou mřížku. Fourierovu transformaci konečné mřížky tvoří tedy tvarové amplitudy G 1 X) rozmístěné v mřížkových bodech 2π k X h reciproké mřížky a násobené Fourierovou transformací F U X) elementární buňky. Tato analogie mezi konečnou mřížkou a její Fourierovou transformací je snad ještě zřejmější z výrazů, které se získají, když se v 1b) a 10) provede nejprve násobení a potom konvoluce: f x) = s x n ) f U x x n ), 11) n inf F X) = ) 2π F U X k h G 1 X 2π ) X k h. 12) h inf Obrázek 1: Fraunhoferova difrakce na dvojčetné Siemensově hvězdici. Hvězdice je vyobrazena v levém dolním rohu difrakčního obrazce. Ramena difrakčního obrazcce jsou kolmá na rovné úseky okraje hvězdice. Dvojčetné Siemensovy hvězdice je použito jako základního motivu, jehož translací vznikly mřížky na obr. 2. Jinými slovy a formálně nahlíženo, Fourierovou transformací konečné mřížky je opět konečná mřížka, v níž tvarové amplitudy G 1 hrají roli elementárních buněk f U a Fourierova transformace F U elementární buňky hraje roli tvarové funkce s a omezuje rozsah konečné mřížky v prostoru Fourierovy transformace srv. obrázky 2, 3 a 4). Lze v tom opět spatřovat projev reciprocity: Velkému v prostoru proměnné x odpovídá malé ve Fourierově prostoru proměné X a naopak. Věcně však není analogie mezi konečnou mřížkou a její Fourierovou transformací tak úplná jako formálně. Už proto, že konečná mřížka je prostorově vymezena tvarovou funkcí s x), jež nabývá nulové hodnoty skokem viz 2)), kdežto Fourierova transformace konečné mřížky je konečnou mřížkou ve Fourierově prostoru jen v tom smyslu, že je

17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA 3 Obrázek 2: Dvojrozměrné čtvercové mřížky v levém sloupci jsou tvořeny translací různě orientovaných dvojčetných Siemensových hvězdic. Fraunhoferovy difrakční jevy v pravém sloupci ukazují, že difrakční obrazec na mřížce je vymezen difrakcí na motivu vytvářejícím mřížku v difrakčních obrazcích jsou ramena kolmá k rovným okrajům Siemensovy hvězdice).

4 17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA Obrázek 3: Vliv vnějšího tvaru konečné mřížky na tvar difrakčních stop [5]. a),b) dvojrozměrné mřížky s touž strukturou čtverečnou), avšak s různými vnějšími okraji. c), e) a d), f) Fraunhoferova difrakce z a) a b): c),d) celá střední část difrakčního obrazce, e), f) detail ukazující tvar difrakčních stop čtverec modulu mřížkové amplitudy G X)).Vedlejší maxima uprostřed buněk reciproké mřížky zřetelná v f) zanikají s rostoucí velikostí mřížky. Jejich intenzita je úměrná počtu rozptylových center, kdežto intenzita hlavních maxim roste s kvadrátem počtu rozptylových center.)

17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA 5 Obrázek 4: Fraunhoferova difrakce na konečné dvojrozměrné mřížce. V horní části obrázku je dvojrozměrná mřížka téhož vnějšího tvaru tvořená jednou kruhovými, jednou obdélníkovými otvory. Ve střední části obrázku jsou celé Fraunhoferovy difrakční obrazce těchto mřížek. Ukazují, že difrakční obrazec jako celek je vymezen tvarem odpovídajícím difrakci na motivu vytvářejícím mřížku rotačně symetrický Airyho difrakční obrazec představuje difrakci na kruhovém otvoru, kříž s rameny kolmými na strany představuje difrakci na obdélníkovém otvoru). V dolní části obrázku jsou zvětšené centrální části difrakčních obrazců. Jsou téměř stejné, neboť obě difrakční mřížky mají touž strukturu. Hlavní maxima tvoří reciprokou mřížku k difrakční mřížce.

6 17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA vymezena Fourierovou transformací F U X) elementární buňky, jež jde k nule pouze asymptoticky, když X. Fourierovu transformaci konečné mřížky lze tedy vyjádřit dvěma formálně různými výrazy: Jednak výrazem 3) prostřednictvím mřížkové amplitudy 4), jednak výrazem 10), resp. 12) prostřednictvím tvarové amplitudy 8). Mohlo by se zdát, že k výpočtu Fourierovy transformace konečné mřížky je vždy výhodnější použít výrazu 3), který je součinem dvou zdánlivě jednoduchých funkcí, než výrazu 10) nebo 12), které představují N-násobné nekonečné řady. Lze však uvést aspoň tři důvody, které vysvětlují, proč tomu bývá právě naopak: i) Mřížkovou amplitudu G X) bývá obtížné vypočítat podle definice 4). Je-li totiž vnější tvar mřížky poněkud komplikovanější, bývá obtížné specifikovat meze součtu 4). Proto může být užitečný vztah, který se získá porovnáním 3) a 10): G X) = h inf G 1 X) δ X 2πk ) X h = G 1 X 2π ) X k h. 13) h inf Vyjadřuje mřížkovou amplitudu G X) periodická funkce) superpozicí tvarových amplitud G 1 X) neperiodická funkce). ii) Je-li konečná mřížka tvořena velkým počtem elementárních buněk v každém směru, má modul tvarové amplitudy G1 X) velmi ostré maximum v počátku, tj. G1 X) V U V = S 1 X) se výrazněji liší od nuly jen v blízkosti počátku. V důsledku toho v blízkosti bodů X = 2π k X h platí G X). = G 1 X 2π k X h ), pokud X 2π X k h 2π a + k r, 14) neboť příspěvky všech ostatních členů řady 13) jsou zanedbatelné. Tvarovou amplitudu G 1 X 2π ) k X h lze tedy použít jako lokální aproximaci mřížkové amplitudy G X) v okolí bodů X = 2π k X h. To byl také původní podnět ke studiu tvarové amplitudy, když v r. 1936 Laue [3] aproximoval součet 4) integrálem vyjadřujícím tvarovou amplitudu G 1. Dobrá lokální aproximace mřížkové amplitudy G tvarovou amplitudou G 1 v okolí bodů 2π k X h je dobře patrná na příkladu konečné jednorozměrné mřížky tvořené 2n+1) body: fx) = n j= n δx ja). Mřížková amplituda takové mřížky je GX) = n j= n exp ikxja ) = sin[ kx2n + 1)a/2 ] sin kxa/2 ) 15) a tvarová amplituda G 1 X) = 2n+1)a/2 2n+1)a/2 exp ikxa ) dx = sin[ kx2n + 1)a/2 ] kxa/2. 16) Dobrá aproximace mřížkové amplitudy 15) tvarovou amplitudou 16) v okolí mřížkového bodu X = 0 je zřejmá z algebraického vyjádření obou funkcí. Obrázek 5 ilustruje tuto skutečnost pro případ mřížky tvořené devíti body. iii) Konečná mřížka má vždy tvar nějakého N-rozměrného mnohostěnu polygonu v E 2, mnohostěnu v E 3 ). Tvarové amplitudy mnohostěnů lze poměrně snadno vypočítat, neboť jak bylo uvedeno v odst. 13.1 integrál 7) je vždy možné vypočíst analyticky, a tím vyjádřit tvarovou amplitudu algebraicky. V trojrozměrném případě na to upozornil Laue již v r. 1936 [3] a doporučoval využít k výpočtu integrálu 7) Abbeovy transformace viz [5] a též dodatek D těchto přednášek). V r. 1939 Patterson [4] počítal tvarové amplitudy některých mnohostěnů tak, že rozložil mnohostěn na čtyřstěny, vypočetl tvarovou amplitudu obecného čtyřstěnu a tvarovou amplitudu mnohostěnu vyjádřil součtem tvarových amplitud čtyřstěnů. Algebraické formule pro tvarové amplitudy obecných mnohoúhelníků a mnohostěnů odvozené pomocí Abbeovy transformace 11.12) byly publikovány v roce 1988 [5]. S jejich pomocí lze tvarovou amplitudu mnohostěnů resp. mnohoúhelníků bez obtíží vypočítat srov. odst. 11.2, dodatek D a publikace [6], [7]) a Fourierovu transformaci konečné mřížky je proto výhodné počítat podle vztahu 12). Přitom je vzhledem k 14) možné v okolí bodů X = 2π k X h nahradit nekonečnou řadu 12) jen několika jejími sčítanci, často téměř vždy dokonce jediným, jak to ilustruje obrázek 5.

17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA 7 Reference [1] Laue M. v.: Materiewellen und ihre Interferenzen. 2. Auflage. Akademische Verlagsgesellschaft, Geest & Portig, Leipzig 1948. [2] Ewald P. P.: X-ray diffraction by finite and imperfect crystal lattices. The Proceedings of the Physical Society London) 52 1940), 167 174. [3] Laue M. v.: Die äussere Form der Kristalle in ihrem Einfluss auf die Interferenzerscheinungen an Raumgittern. Annalen der Physik. 5. Folge 26 1936), 55 68. [4] Patterson A. L.: The Diffraction of X-Rays by Small Crystalline Particles. Phys. Rev. 56 1939), 972 977. [5] Komrska J.: Algebraic expressions of shape amplitudes of polygons and polyhedra. Optik 80 1988), 171 183. [6] Komrska J., Neumann W.: Crystal Shape Amplitudes of Platonic Polyhedra. I. General Aspects and the Shape Amplitudes of the Tetrahedron, Cube and Octahedron. phys. stat. sol. a) 150 1995), 89 111. [7] Neumann W., Komrska J.: Crystal Shape Amplitudes of Platonic Polyhedra. II. The Regular Pentagonal Dodecahedron and the Icosahedron. phys. stat. sol. a) 150 1995), 113 126.

8 17 KONEČNÁ KRYSTALOVÁ MŘÍŽKA, MŘÍŽKOVÁ A TVAROVÁ AMPLITUDA Obrázek 5: Mřížková amplituda GX) = sin sin ) sin 9kXa/2 kxa/2 9kXa/2 kxa/2 ) ) plná čára) a tvarová amplituda G 1 X) = tečkovaně) jednorozměrné mřížky tvořené devíti body. Z grafů je vidět, že tvarová amplituda G 1 X) dobře aproximuje mřížkovou amplitudu GX) v okolí mřížkového bodu X = 0, tj. když X 2π ka.