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固体物理:声子

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固体中的粒子不断运动,其波动形式称为格波,与晶体的自由度数目相等。声子,作为玻色子,具有能量和准动量,其数量与自由度一致。声子的能量和准动量满足能量动量守恒。德拜模型和爱因斯坦模型分别近似处理声学支和光学支的态密度。

晶格振动在晶体中以波的形式传播,形成格波。声学支反映晶胞的集体运动,光学支反映晶胞内粒子的相对运动。通过正则变换,每种振动模式转化为独立的谐振子,能量量子化为声子。

晶格振动的能量量子化为声子,玻色分布适用于声子统计,通过分布可计算晶格振动能量,并求偏导得到热容。态密度依赖于色散关系,德拜模型和爱因斯坦模型对态密度进行近似处理。

一维单原子链简化为振动问题,考虑简谐近似和相互作用势。通过变换构造简正坐标,独立于耦合,简化为无耦合谐振子,体现不同频率和波矢的平面波。

周期边条件下的运动方程求解,得到色散关系,表达式显示周期性和空间反演对称性。在长波极限下,频率与波矢成正比,形成声学支格波。

一维双原子链的动力学方程与色散关系求解,考虑两种原子的相对偏移,得到独立的色散关系,包括光学支和声学支。

布里渊区边界定义色散关系,长波极限下频率空隙形成,三维晶体中声学支数量有限,对应于原胞的集体运动。

偏振和不同的色散关系组合形成不同的振动模式,包括纵声学、横声学、纵光学和横声学模式。

弹性波的量子化转化为声子,简正坐标描述晶格振动能量,量子化能量为声子。

声子具有准动量,不携带物理动量,但参与动量守恒。波矢选择定则体现动量守恒原则。

声子参与的非弹性散射模型用于研究格波与光子的相互作用,以及中子散射用于实验测定声子谱。

声子比热容的计算基于玻色分布,Dulong-Petit's law描述经典能均分定理下的固体热容。

一维原子链和三维情况下态密度的计算,德拜模型和爱因斯坦模型分别处理长波极限下的声学支和光学支。

导热性分析涉及声子平均自由程,声子-声子散射概率影响热导率,倒逆过程的存在解释了热阻现象。

声子的平均自由程和热阻的讨论揭示了声子在固体中传播的限制,以及温度对热导率的影响。