放射光を用いた超臨界金属流体の静的・動的構造の解明

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11102004
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 田村 剛三郎 京都大学, 工学研究科, 教授 (30155262)
• 研究分担者: 星野 公三 広島大学, 総合科学部, 教授 (30134951) ; 乾 雅祝 広島大学, 総合科学部, 助教授 (40213136) ; 沼倉 宏 京都大学, 工学研究科, 助教授 (40189353)
• キーワード: 超臨界金属流体 / 放射光 / X線回折 / X線小角散乱 / X線非弾性散乱 / 密度のゆらぎ / 金属-非金属転移

研究概要

本研究は、我々が独自に開発してきた実験技術をベースとし、第3世代大型放射光施設SPring-8を利用することにより、水銀、セレンおよびアルカリ金属の超臨界領域における静的・動的構造を解明することを目的とする。X線回折測定により短・中距離構造について、X線小角散乱測定により密度のゆらぎ等の長距離構造について、さらにX線非弾性散乱測定により超臨界領域での動的構造、すなわち原子分子の離合集散の様相を明らかにする。
本年度の研究進捗状況は以下の通りである。
X線回折測定:流体水銀とセレンについて、液体から超臨界領域を経て気体に至る広い密度領域で、完成度の高いデータ(構造因子と二体分布関数)を得ることができた。また、セレン高密度気体のX線回折像を得ることができ、セレン分子がどのように超臨界流体へと凝集してゆくかについて精緻な情報を得ることができた。さらに、単結晶モリブデン容器を用いることによって、流体ルビジウムの測定に初めて成功した。
X線小角散乱測定:昨年度末に、X線の入口と出口に高純度の人工ダイアモンドを用いた高圧容器を新たに製作した。これによって、これまで障害となっていたバックグランドを減らすことができ、信頼性の高い小角散乱スペクトルを得ることができるようになった。流体水銀について、密度のゆらぎの大きさを表すS(0)および相関長ξを密度の関数として求めることができた。その結果、臨界密度ゆらぎの他に、金属-非金属転移に付随する密度のゆらぎの存在することが明らかになった。また、流体セレンについての測定が続行中である。
X線非弾性散乱測定:流体水銀について、広い温度圧力領域における非弾性散乱スペクトルを得ることができた。これらを解析することによって、金属-非金属転移領域において異常な分散関係、すなわち音速から期待される値から大きく正の方向にずれた分散関係を示すことが明らかになった

研究成果

• [文献書誌] M.Inui: "X-ray diffraction measurements for expanded fluid Se using synchrotron radiation up to the dense vapor region"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 274-278 (2002)
• [文献書誌] X.Hong: "X-ray diffraction measurements for expanded fluid mercury using synchrotron radiation : from the liquid to dense vapor"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 284-289 (2002)
• [文献書誌] K.Tamura: "Small angle x-ray scattering measurements for supercritical fluid metals using synchrotron radiation"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 269-273 (2002)
• [文献書誌] M.Inui: "Structural studies of supercritical fluid metals using synchrotron radiation"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 247-255 (2002)
• [文献書誌] M.H.Kazi: "A study of density fluctuations near the critical point of fluid Se by small angle x-ray scattering"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 279-283 (2002)
• [文献書誌] S.Munejiri: "Structure and self-diffusion of germanium studied by a first-principle molecular-dynamics simulation and a neutron scattering experiment"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 182-186 (2002)
• [文献書誌] Y.Senda: "The liquid-liquid phase transition of liquid phosphorus studied by ab initio molecular dynamics simulations"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 80-84 (2002)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Electronic and atomic structures of supercritical fluid selenium : ab initio molecular-dynamics simulations"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 290-293 (2002)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Intermediate-range order in liquid and amorphous As_2S_3"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 388-391 (2002)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Semiconductor-metal transition in liquid arsenic chalcogenides"J. Non-Cryst. Solids. 312-314. 349-355 (2002)
• [文献書誌] K.Hoshino: "Dynamic structures of liquid Ge by the viscoelastic theory"J. Phys. Soc. Jpn.. 71. 2466-2470 (2002)
• [文献書誌] F.Shimojo: "Atomic and electronic structures in liquid arsenic telluride by ab initio molecular-dynamics simulations"J.Phys. : Condens. Matter. 14. 8425-8433 (2002)
• [文献書誌] Y.Senda: "The metal-nonmetal transition of phosphorus by ab initio molecular-dynamics simulations"J. Phys. : Condens. Matter. 14. 3715-3724 (2002)
• [文献書誌] K.Hoshino: "Mode-coupling analyses of atomic dynamics for liquid Ge, Sn and Na"J. Phys. Soc. Jpn.. 71. 119-124 (2002)