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第3章晶格振动和晶体热学性质
从而可求得2支振动的色散关系 和 这种耦合称为极化激元. 由图可以看出: 一支耦合振动模 时为纯TO振动模,频率即为无耦合时的横光学波 为纯TO振动模,但频率为 时为高频电磁 频率.在中间k值区域, 代表的振动模是电磁波 与横光学格波的混和模式,不能区分出格波和电磁波. 是频率的禁区,这样的频率不能穿过晶体. 满足 时低频电磁波, 波.另一支耦合模 3.5 晶格比热容的量子理论 固体物理学中的比热容一般指定容热容: 其中 为固体在温度T时的热力学总平均能量, 主要由两 分组成: 其中 是晶格(离子)热运动的贡献,称晶格比热容; 是电子热运动的贡献,称为电子比热容, 仅在低温才起作用. 3.5.1 经典理论的困难 能量按自由度均分, 每个简谐振动的平均能量为 (N个粒子, 3N个自由度) 杜隆-珀替定律: 摩尔比热容: 是一个与材料性质和温度无关的常数 ! 实验结果: 当 导体 绝缘体 3.5.2 晶格比热容的一般公式 由于量子化,使得每个振动平均热运动能量不再是 ,如果忽略零点能,而成为 得: 晶体的总能量为 设 表示角频率在 之间的格波数 式中: 是最大的角频率 , 为晶体中的总原子数 而晶体的比热容成为: 3.5.2 爱因斯坦模型 爱因斯坦假设: 晶体中各原子的振动均是相互独立的.且振动频率相同(或者说,晶体中各原子均以一种频率振动) 爱因斯坦 比热函数 1.高温时 杜隆-珀替定律 2.低温时 3.5.4 德拜模型 假设:把晶格视为各向同性连续介质, 即把格波视为弹性波,且纵波与横波具有相同的相速度. 德拜不认为所有振动模为单一频率, 而应有一个宽广的分布. 其中 是1支纵波, 2支横波的传播速度的总效果 态密度 见第一节,V为晶体体积. 上限频率 德拜温度: 最大波矢量 由(85)可得系统总能量: 因此: 讨论 (1)低温 说明在低温下只有长波声子被激发,而且只有长声学波. 因为只有长声学波才能视晶体为弹性介质. (2)高温 杜隆珀替定律 (4) 上限波矢: 低温被激发的声子: 这一性质刚好与电子相反,在第五章我们会注意到首先被激发的电子是波矢比较大的即费米面附近的电子. 3.6 晶体热膨胀 , 对晶格动力学无影响,取 令: 则: 简谐近似时, 势能关于平衡位置对称, 原子间距离的平均值不随温度升高增大. 但计入非谐效应时, 势能不对称,温度升高时, 平均距离会增大----热膨胀. 按玻尔兹曼统计, 平均位移是: 对简谐近似, U是二次函数, 故分子中被积函数是奇函数, 积分为0 . 考虑非谐项时, 有 近似下,线脉系数与温度无关,在更高级近似下,线胀系数与温度有关. 线胀系数: 分子间平均距离随温度升高而增大------热膨胀 3.7 晶体热传导 简谐近似,各种格波是独立的,某一格波处于某一能级不会衰减,这样晶格振动的热平衡就无法实现. 实际晶体,势能的非谐振项的存在,振子相互间要发生作用,声子间有能量交换. 一种频率的声子将会转换成另一种频率的声子,即一种声子湮灭,另一种声子产生,经过一定的时间后,各种声子的分布就能达到平衡. 3.7.1 声子散射 N过程和U过程 2个声子相互作用而湮灭,产生第3个声子,在这过程中满足能量守恒和波矢选择定则: , 正常过程(N过程), 满足能量守恒和动量守恒 , 倒逆过程(U过程)能量守恒,动量发生明显变化 3.7.2 热导率 在U过程中 已超出第一布里渊区,只有加上某个倒格子矢量才能回到第一布里渊区. 晶体-振动-格波-声子气 简谐近似——晶体理想气体——热传导率为无穷大 非谐作用——声子有相互作用——非理想气体 U过程中声子作用前后动量变化大,动量方向几乎相反,是产生晶格热阻的主要物理机制. N过程中 较小, 未 超出第一布里渊区,总动量不变,不影 响热流方向, 对热阻无贡献. 产生热传导的条件: 存在温度梯度 能流密度—单位时间内通过垂直温度梯度方向的单位面积的能量. 为热传导系数 热阻形成的原因分析: 力学观点不能解释.如将格波视为机械波,其传播时不需要温度梯度,即热导率无限大,不存在热阻. N过程也不能解释热阻的形成.如开始动量沿x方向,N过程动量不变,晶体携能量沿x方向传播,无需温度梯度,无热阻. U过程可解释热阻的成因. U过程可以改变声子气的波矢,无规碰撞使波矢在小范围达到热平衡,只有存在温度梯度时,不同小范围内才能交换声子.无温度梯度则无热流,有热阻. 气体热导系数: 平均自由程 为平均速率, 声子气也具有同样的规律 证明: 声子在x方向上的运动速度:
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