Die Packungsdichte (auch Packungsverhältnis oder Raumerfüllung genannt, englisch APF für atomic packing factor) ist in der Kristallographie definiert als das Verhältnis des Volumens der Atome, die sich in einer Elementarzelle befinden, zum Gesamtvolumen der Elementarzelle.
Der Begriff wurde analog in die Mathematik für räumliche Optimierungsprobleme übernommen, etwa Kugelpackungen, die in der Theorie der Datenkompression eine Rolle spielen.
Die Atome werden dabei als harte, inkompressible Kugeln mit maximaler und identischer Größe angenommen. Der Zahlenwert der Packungsdichte ist charakteristisch für die Art der Packung. Sie hängt nicht von der Auffassung der Elementarzelle ab (Die Kugeln aus zwei oder mehr Elementarzellen erfüllen denselben Raumanteil wie in einer Elementarzelle). Aus der Raumerfüllung lassen sich weitere Schlüsse über die Gestalt des Gitters ziehen und beispielsweise die Stabilität oder die Dichte eines Kristalls begründen.
Allgemein ergibt sich die Packungsdichte $ P $ aus:
wobei Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): N die Anzahl der Atome (= die Summe der einzelnen Anteile) in der Elementarzelle ist. Das Volumen der Kugeln in der Elementarzelle mit Radius berechnet sich durch:
Bei vielen Kristallsystemen ist die Elementarzelle kubisch. Das Volumen einer solchen Elementarzelle mit dem Gitterparameter Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): a beträgt:
Für Packungen mit kubischer Elementarzelle gilt folglich:
Geht man von nur einer Atomsorte mit identischer Atomgröße aus, so ist die größtmögliche Raumerfüllung die einer kubisch dichtesten Kugelpackung (kubisch flächenzentrierte Gitter) und die hexagonal dichteste Kugelpackung. Sie beträgt ungefähr 74%.
In den hier aufgeführten Packungstypen kristallisieren die meisten Elemente aus.
In einer kubisch primitiven Packung (englisch: scp, simple cubic packing) besetzen die Kugeln die 8 Ecken der kubischen Elementarzelle. Da die Alpha-Modifikation von Polonium in diesem Typ kristallisiert, wird er oft mit dem Trivialnamen α-Polonium-Typ bezeichnet.
Von oben betrachtet sieht eine Schicht dieser Packung so aus:
Datei:Layer of a simple cubic crystal packing.svg
Alle Schichten dieses Packungstyps sind also identisch. Mit ihrem Volumen füllt jede Kugel Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 1/8 des Volumens in jeweils Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 8 umliegenden Elementarzellen. Jede Elementarzelle ist insgesamt mit einem Kugelvolumen gefüllt. Jede Kugel berührt 6 andere Kugeln direkt, die Koordinationszahl ist 6. Alle Kugeln berühren sich lückenlos. Der Gitterparameter Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): a ist das zweifache des Kugelradius Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): r :
Datei:Distance between two circles with equal radius r.svg
Somit ist
Die Packungsdichte ist ungefähr 52,36%
In einer kubisch flächenzentrierten Packung (englisch: fcc, face centered cubic) besetzen 8 Kugeln die Ecken einer kubischen Elementarzelle und füllen sie mit 1/8 ihres Kugelvolumens. Zusätzlich befinden sich auf der Mitte der 6 Flächen eine Kugel, welche 1/2 ihres Volumens in die Elementarzelle hinzufüllt. Somit befinden sich in jeder Elementarzelle 8·1/8 + 6·1/2 = 4 Kugeln. Da Kupfer in diesem Typ kristallisiert, wird er auch als Kupfer-Typ bezeichnet.
Die oberste und unterste Schicht sind gleich. Hier berühren sich die Kugeln entlang der Diagonalen der Elementarzelle:
Datei:Face centered cubic top layer.svg
Die mittlere Schicht sieht von oben betrachtet wie folgt aus:
Datei:Face centered cubic middle layer.svg
Die Kugeln auf den Ecken berühren andere Kugeln auf Ecken folglich nicht. Der Radius aller Kugeln ist trotzdem gleich. Der Satz des Pythagoras folgert:
Datei:Front view face centered cubic.svg
Der Radius ist also
Die Packungsdichte beträgt ungefähr 74,05%
In einer kubisch innenzentrierten (auch: „raumzentrierten“) Packung (englisch: bcc, body centered cubic) sitzen wie ebenfalls 8 Kugeln auf den Ecken der kubischen Elementarzelle. Die Kugeln berühren sich an den Ecken nicht. In der Mitte der Elementarzelle sitzt eine Kugel, deren ganzes Volumen von der Elementarzelle eingeschlossen ist. Hier befinden sich also 8·1/8 + 1 = 2 Kugeln in der Elementarzelle. Dieser Typ wird mit dem Trivialnamen Wolfram-Typ bezeichnet.
Die oberste und unterste Schicht sehen wie folgt aus:
Datei:Body centered cubic top and bottom.svg
In der mittleren Schicht sitzt die volle Kugel:
Datei:Body centered cubic middle.svg
Auch bei diesem Typ haben alle Kugeln denselben Radius. Die Kugeln berühren sich entlang der Raumdiagonalen durch die Elementarzelle.
Datei:Body centered cubic diagonale.svg
Um die Raumdiagonale zu berechnen benötigt man die Flächendiagonale. Es wird also zweimal der Satz des Pythagoras angewandt:
und
Der Radius entspricht:
Die Packungsdichte beträgt ungefähr 68%
Mit der Kenntnis der Packung können beispielsweise Dichte, Molare Masse uvm. berechnet werden.
Die Dichte ist eine intensive Größe, die nicht von der Größe des betrachteten Systems abhängt. Die Dichte eines Kubikmeters eines Metalls ist identisch mit der Dichte der Elementarzelle der Struktur des Metalls. Unter Kenntnis des Gitterparameters, der Molaren Masse und der Anzahl der Atome pro Elementarzelle kann die Dichte z. B. eines Metalls wie folgt berechnet werden:
Kupfer kristallisiert in einem kubisch-dicht gepackten Gitter. Es befinden sich also Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 4 Atome in einer Elementarzelle. Der Radius eines Kupferatoms beträgt Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 1{,}28 Å, das entspricht Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): 1{,}28\cdot 10^{-10}\,\mathrm{m} .
Der Gitterparameter Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): a berechnet sich für diesen Typ wie folgt:
Die Dichte von Kupfer ist:
