где (n—целое число) – вектор обратной решетки кристалла. Поэтому
величина для фонона носит название квазиимпульса.
Вернемся теперь к вопросу о подсчете полной энергиии решетки, связанной с колебаниями частиц возле положения равновесия. Энергия кристалла согласно (3.29) может быть представлена в виде суммы по вкладам (в гармоническом приближении) от отдельных волн – вкладов от энергий отдельных фононов
(3.44)
Однако сами фононы описывают не все, а лишь возбужденное состояние кристалла. В энергию фононов не входят энергия нулевых колебаний атомов и энергия равновесного положения.
Обнаружить фононы в кристалле можно по взаимодействию фотонов с кристаллом. Измеряя импульс и энергию подающей на кристалл электромагнитной волны заданной частоты (Рис.3.7), можно определить характеристики фонона q(рис.3.8), на котором произошло рассеяние
Рис.3.7. Рис.3.8
электромагнитной волны. Это можно
сделать, используя, используя законы сохранения энергии и импульса
.
Если в законах сохранения энергии и импульса произвести сокращение на общий множитель, то они примут вид
.
Соотношения, аналогичные приведенным выше, возникают при анализе целого ряда коллективных возбуждений в жидкости и газе (например, в таких явлениях как турбулентность).
4. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
4.I. Свободная и внутренняя энергия кристалла
Используя полученные в предыдущем параграфе выражения для характеристик фононов (числа частиц в данном состоянии, свободной и внутренней энергий), определим теперь свободную и внутреннюю энергии фононной подсистемы, производя суммирование по всем волновым числам фононов:
(4.1)
Здесь суммирование производится по всей зоне Бриллюэна
Таким образом, вычисление термодинамических свойства кристаллической решетки сводится к решению задачи о статистике газа фононов, когда свободная энергия кристалла согласно может быть представлена в виде суммы по вкладам (в гармоническом приближении) от отдельных волн – вкладов от энергий отдельных фононов. Используя (3.39) для свободной энергии имеем
,
(4.2)
При вычислении свободной энергии F возникает трудность, связанная с необходимостью знать
спектр колебаний (спектр фононов) в кристалле (
). Нахождение последнего сопряжено со
значительными вычислительными трудностями. Существует, однако, метод,
позволяющий несколько упростить расчет термодинамических функций. Он заключается
в переходе от суммирования по всем нормальным колебаниям в формуле (4.2) к
интегрированию по
. В этом случае для свободной
энергии приходим к формуле
. (4.3)
Используя (3.42) для внутренней энергии имеем
. (4.4)
Здесь,
—
свободная и внутренняя энергии, соответственно, атомов в положении равновесия
(с учетом нулевых квантовых колебаний); величина
, где
— число атомов в кристалле;
— энергия одного атома в положении
равновесия (фактически совпадающая с энергией связи), зависящая лишь от плотности
тела, но не от температуры. Переход в (4.3), (4.4) к суммированию по всем
частотам. Такой
подход правомерен, поскольку спектр
фактически является
непрерывным. Теперь термодинамические функции решетки можно вычислить, если
воспользоваться энергетическим спектром фононов в кристалле и с учетом
распределения фононов по объему зоны Бриллюэна можно перейти в (4.3), (4.4) от
суммирования к интегрированию по частотам, введя плотность состояния фононов
— число фононов, приходящихся на интервал
частот ω. Следовательно, для произвольной функции
(
) можно осуществить переход от суммирования
к интегрированию, воспользовавшись следующим соотношением:
(4.5)
При использовании перехода (4.5) следует учесть, сто в сложных ячейках существует два типа колебаний: акустические и оптические — и, следовательно, два типа фононов: акустические и оптические.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.