《孙会元固体物理基础教案40序言》由会员分享，可在线阅读，更多相关《孙会元固体物理基础教案40序言（13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章第四章 晶格振动和晶体的热学性质晶格振动和晶体的热学性质本章主要内容：本章主要内容：第一节第一节 晶格振动的经典处理晶格振动的经典处理 第二节第二节 长波近似长波近似 第三节第三节 简谐晶体的量子理论简谐晶体的量子理论 第四节第四节 晶格比热晶格比热第五节第五节 声子态密度声子态密度第六节第六节 晶格振动谱的实验测定晶格振动谱的实验测定第七节第七节 非简谐效应非简谐效应 4.0. 4.0. 序言序言 在前几章的在前几章的学习中学习中, 我们主要讨论了我们主要讨论了 T=0 K时时,理想晶体中理想晶体中价电子价电子的行为的行为. 对于组成晶体的原子对于组成晶体的原子或离子实的运动没有考虑或
2、离子实的运动没有考虑, 尽管我们在第二章讨尽管我们在第二章讨论了构成晶格的原子或离子实在晶体中的分布情论了构成晶格的原子或离子实在晶体中的分布情况况, 但仍然假定了这些原子或离子实在晶体中是但仍然假定了这些原子或离子实在晶体中是固定不动的固定不动的属于属于静止晶格的模型静止晶格的模型。 静止晶格的模型静止晶格的模型对于解释主要由对于解释主要由导电电子导电电子决决定的平衡态性质和输运性质方面定的平衡态性质和输运性质方面, 相当成功相当成功. 但但是是, 按照上述理想的模型按照上述理想的模型, 在周期势中运动的电在周期势中运动的电子不会受到散射作用子不会受到散射作用, 因而导致因而导致热导和电导趋
3、于热导和电导趋于无穷大无穷大, 这与实际情况不相符这与实际情况不相符. 此外此外, 对于对于绝缘绝缘体的许多物理性质也无法解释体的许多物理性质也无法解释。 晶格振动的强弱依赖于温度晶格振动的强弱依赖于温度,它在晶体热力它在晶体热力学中起重要作用学中起重要作用.晶体的比热、热膨胀和热导等晶体的比热、热膨胀和热导等热学性质直接依赖于晶格振动热学性质直接依赖于晶格振动,晶体的光吸收和晶体的光吸收和光发射等光学性质也与晶格振动有关光发射等光学性质也与晶格振动有关.此外此外,通过通过晶格振动的相互作用晶格振动的相互作用,电子和电子之间还会产生电子和电子之间还会产生不同于库仑力的相互作用不同于库仑力的相互
4、作用,形成所谓的形成所谓的库柏对库柏对,产产生超导电性。生超导电性。 实际上，在有限的温度下，组成晶体的原子并实际上，在有限的温度下，组成晶体的原子并非固定于格点位置，而是以格点为平衡位置作热非固定于格点位置，而是以格点为平衡位置作热振动，称为振动，称为晶格振动晶格振动。显然，晶格振动将使晶体。显然，晶格振动将使晶体势场偏离严格的周期性，从而对布洛赫电子产生势场偏离严格的周期性，从而对布洛赫电子产生散射作用，并影响到与电子有关的输运性质。散射作用，并影响到与电子有关的输运性质。 从晶体中原子的振动出发去讨论晶体的宏观物从晶体中原子的振动出发去讨论晶体的宏观物性，常称为性，常称为晶格动力学晶格动
5、力学。 晶格动力学晶格动力学的研究是从讨论晶体的研究是从讨论晶体热学性质热学性质开始开始的的.而热运动在宏观性质上最直接的表现就是而热运动在宏观性质上最直接的表现就是比热比热容容.这也是热统中学过的内容。这也是热统中学过的内容。 早在早在19世纪世纪,根据根据经典统计理论经典统计理论的能量均分定理的能量均分定理,把比热容与原子振动联系起来把比热容与原子振动联系起来,解释了解释了杜隆杜隆-珀蒂珀蒂(Dulong-petit)经验定律经验定律. 经典理论经典理论不涉及原子的振动频率不涉及原子的振动频率,任何晶体的比任何晶体的比热容只决定于系统的自由度而与温度无关热容只决定于系统的自由度而与温度无关
6、.因此因此不不能解释在低温下能解释在低温下,比热容随温度降低而减小的实验比热容随温度降低而减小的实验事实事实. 爱因斯坦爱因斯坦开创了固体比热容量子理论的先河开创了固体比热容量子理论的先河.但但是由于该模型过于简单是由于该模型过于简单,所以所以,超过某一温度范围超过某一温度范围,它对任何材料都不能给出正确结果它对任何材料都不能给出正确结果. 1913年年,波恩波恩(M.Born)和卡门和卡门(Von Karman)在他在他们发表的们发表的“关于比热容理论关于比热容理论”的论文中的论文中,考虑到周考虑到周期性晶格模型期性晶格模型,提出晶格系统的运动不易用个别原提出晶格系统的运动不易用个别原子的振
7、动去描述。子的振动去描述。 1907年年,爱因斯坦爱因斯坦(A.Einstein)把晶体中的原把晶体中的原子看成一些具有相同频率子看成一些具有相同频率 E并能在空间自由振动并能在空间自由振动的独立振子的独立振子.每个振子的能量以每个振子的能量以 为单位量子为单位量子化化(普朗克普朗克(M.Planck)的量子假设的量子假设),得到温度趋得到温度趋于绝对零度时于绝对零度时,比热容趋于零的结论比热容趋于零的结论. 波恩和卡门波恩和卡门认为晶格系统要用具有一定波矢、认为晶格系统要用具有一定波矢、频率和偏振的行波来表示频率和偏振的行波来表示,称为系统的称为系统的“简正模简正模” (normal mod
8、e),每个波的能量与具有相同频率的每个波的能量与具有相同频率的谐振子一样是量子化的谐振子一样是量子化的.与晶体相联系的波的频与晶体相联系的波的频率不是单一频率率不是单一频率,而是具有一定的频率分布而是具有一定的频率分布,这个这个频率分布按复杂的规律依赖于原子间的相互作用频率分布按复杂的规律依赖于原子间的相互作用. 其实其实,1912年年,德拜德拜(P.Debye)也发表了一篇也发表了一篇“关关于比热容理论于比热容理论”的论文的论文,他把晶格振动的他把晶格振动的“简正简正模模” 看作似乎是看作似乎是一个连续的、各向同性的介质中一个连续的、各向同性的介质中的波的波,而不是集中在一些分立格点上振动的
9、波而不是集中在一些分立格点上振动的波. 德拜模型虽然表面上不如波恩和卡门模型德拜模型虽然表面上不如波恩和卡门模型,但但是由于德拜模型简介有效是由于德拜模型简介有效,实际上更加成功实际上更加成功.第三章我们曾给出了体系的总的哈密顿，第三章我们曾给出了体系的总的哈密顿， 假定晶体体积假定晶体体积 ,含有含有N个带正电荷个带正电荷 Ze 的离子实，的离子实，Z为单原子的价电子数目，因而，晶为单原子的价电子数目，因而，晶体中有体中有NZ个价电子。即：个价电子。即： N个离子实，每个离子实带正电荷个离子实，每个离子实带正电荷Ze，其位其位矢用矢用 表示；表示； NZ个价电子个价电子,简称为电子简称为电子
10、,其位矢用其位矢用 表示。表示。则系统的哈密顿为：则系统的哈密顿为： 当时考虑的是当时考虑的是晶格不动晶格不动,因而格点位矢代表平因而格点位矢代表平衡位置衡位置.为了和考虑晶格振动后的格点位矢区分为了和考虑晶格振动后的格点位矢区分,我们把晶格不动时的格点位矢加一个上角标我们把晶格不动时的格点位矢加一个上角标0.考虑晶格振动后考虑晶格振动后,上式变为上式变为 ：Rn 代表所有离子实的瞬时坐标代表所有离子实的瞬时坐标 。 按照按照绝热近似或称为玻恩绝热近似或称为玻恩奥本海默奥本海默(Born-Oppenheimer)近似近似 认为电子体系的运动总能跟上离子实的运认为电子体系的运动总能跟上离子实的运
11、动。因而，绝热近似下动。因而，绝热近似下系统总的波函数可以写系统总的波函数可以写成电子部分和离子实部分的乘积成电子部分和离子实部分的乘积。亦即：。亦即：其中其中 为描述电子的波函数，认为离子实为描述电子的波函数，认为离子实仍位于平衡位置；仍位于平衡位置； 为离子实部分。从而，为离子实部分。从而，系统的薛定谔方程变为系统的薛定谔方程变为: 对薛定谔方程两边左乘对薛定谔方程两边左乘 ，并对电子坐，并对电子坐标积分，得：标积分，得： 所以所以 e是电子系统哈密顿量的本征值。将体系的总是电子系统哈密顿量的本征值。将体系的总能量写成电子部分能量写成电子部分e和离子实部分和离子实部分n之和，则晶之和，则晶
12、格的薛定谔方程为格的薛定谔方程为 其中，离子实之间的相互作用势其中，离子实之间的相互作用势 ： 离子实之间的关联作用，使方程变成多体问题。离子实之间的关联作用，使方程变成多体问题。 本章首先从简谐晶体的经典运动讨论起，建立离本章首先从简谐晶体的经典运动讨论起，建立离子实的运动方程子实的运动方程,得到晶格振动得到晶格振动“简正模简正模”(normal mode)的能量和频率并讨论其的能量和频率并讨论其色散关系色散关系(即能量或频即能量或频率随波矢的变化率随波矢的变化)。 对于这样的多体问题，本章将利用离子实对平衡对于这样的多体问题，本章将利用离子实对平衡位置偏离很小这一事实，对这种偏离作级数展开
13、。位置偏离很小这一事实，对这种偏离作级数展开。 级数展开后，首先只保留到第一个非零项级数展开后，首先只保留到第一个非零项(2次项次项)，即，即简谐近似简谐近似(harmonic approximation)，相应的晶，相应的晶体称为体称为简谐晶体简谐晶体。 最后讲述最后讲述晶格振动谱的实验测定晶格振动谱的实验测定以及以及非简谐非简谐项项带来的物理效应带来的物理效应晶体的晶体的热膨胀和热导率热膨胀和热导率。 然后对简谐晶体进行量子力学处理，引进简然后对简谐晶体进行量子力学处理，引进简正坐标将多体问题化为单体问题，并建立了正坐标将多体问题化为单体问题，并建立了声子声子(phonon)的概念，即把晶
14、格振动波的能量量子称的概念，即把晶格振动波的能量量子称为声子。为声子。晶格振动波和声子晶格振动波和声子正是固体中原子振动正是固体中原子振动的波粒二象性的两个表示。的波粒二象性的两个表示。库柏对库柏对就是电子和电就是电子和电子之间通过声子联系在一起的。子之间通过声子联系在一起的。 本章重点：本章重点： 一、一、简谐近似简谐近似，一维单、双原子链中格波的，一维单、双原子链中格波的色色散关系，声学支和光学支；散关系，声学支和光学支； 二、简正坐标，二、简正坐标，声子，晶格比热；声子，晶格比热； 三、三、Einstein model and Debye model； 四四、测定晶格振动谱的实验方法测定晶格振动谱的实验方法； 五、五、N-process and U-process ；
