Нормальные колебания решетки. Фононы

 

Атомы, как известно, совершают тепловые колебания вокруг равновесных положений. Они существенно влияют на характер электрических, тепловых, оптических и других процессов в твердых телах.

Поскольку атомы твердого тела влияют друг на друга, аналитическое описание этого движения является крайне сложным, обычно рассматривают упрощенную модель колебаний. Вместо изучения колебательного движения отдельных атомов рассматривают коллективные колебания всего ансамбля атомов. Поскольку кристаллическая решетка обладает симметрией, а силы взаимодействия являются упругими, коллективные колебания рассматривают как упругие волны, распространяющиеся во всех направлениях по кристаллу. Эти волны отличаются длиной волны, фазой и поляризацией. Границы спектра упругих колебаний легко определить, пользуясь моделью кристаллической решетки, размеры которой – L, апараметр решетки – а, тогда λ _min=2 a, λ _max=2 L.

В теории колебаний волновой процесс принято характеризовать волновым вектором k, круговой частотой ω, фазовой J_ф и групповой J_гр скоростями распространения волны. Можно записать величину волнового вектора

, (1.5)

фазовую скорость монохроматической волны

J_ф = ω / k (1.6)

и групповую скорость

(1.7)

Напомним, что фазовая скорость представляет собой скорость перемещения в пространстве точки с заданной фазой, а групповая скорость – скорость набора волн, так называемого волнового пакета.

Решение основного уравнения динамики для колеблющегося атома можно записать в виде уравнения бегущих волн

, (1.8)

где u_i – смещение i -го атома,

и уравнения

, (1.9)

где m – масса атома,

f – коэффициент упругости.

 

Подставив последнее выражение в (1.6) и (1.7), получим

, (1.10)

. (1.11)

На рис. 1.4 показаны графики полученных зависимостей.

а) б) в)

 

Рис. 1 4. Зависимость частоты колебаний (а), фазовой (б) и групповой (в) скоростей
от волнового вектора

Анализ последних выражений показывает, что в случае длинных волн (к "0) фазовая и групповая скорости обращаются в постоянную величину

, (1.12)

т.е. скорость звука в кристалле.

Для самых коротких волн k = π / a и групповая скорость стремится к нулю, а фазовая скорость – к величине .

В области длинных волн кристалл можно рассматривать как непрерывную среду. Если бы это положение сохранялось во всем спектре, то зависимость ω (k) представляла бы прямую линию, а J_ф (k) и J_гр (k) были бы постоянными, как показывают пунктирые линии на рис. 1.4. Следовательно, в области коротких волн кристалл уже нельзя рассматривать как непрерывную, упругую среду.

До сих пор мы рассматривали колебания в кристаллах, состоящих из одинаковых атомов. В кристаллах, состоящих из двух видов атомов, имеющих различные массы, а также в сложных решетках наблюдаются две ветви у графиков зависимости ω (k). На рис. 1.5, а представлены такие графики.

а) б)

Рис. 1.5. Акустические (1) и оптические (2) колебания решетки:
а – графики зависимостей; б – колебания двухатомной цепочки

 

Колебания, отраженные кривой 1, называют акустическими, отраженные кривой 2 – оптическими. Случай акустических и оптических колебаний одномерной цепочки проиллюстрирован на рис. 1.5, б. Очевидно, что для цепочки атомов во втором случае (оптические колебания) тяжелые и легкие атомы колеблются в противофазе, что приводит к более высокой частоте колебаний легких атомов. Существует другая модель для описания тепловых колебаний кристаллической решетки. Она заключается в том, что энергию колебаний представляют в виде энергии квантовых гармонических осцилляторов (п. 2.7)

 

E =(n +1/2) hv, (1.13)

где n =0,1,2…,

h – постоянная Планка,

v – частота колебаний.

Как известно, энергия квантового осциллятора квантована и квант энергии – hv. Аналогично фотонам, имеющим такую же энергию, квант колебаний кристаллической решетки называют фононом. Поле упругих колебаний решетки можно рассматривать как совокупность фононов. Необходимо отметить, что фонон входит в группу так называемых квазичастиц, к которой относятся магноны – кванты спиновых волн, дырки – кванты положительного заряда. Квазичастицы ведут себя так же, как частицы: имеют энергию и импульс (квазиимпульс), однако отдельно от системы не существуют. С помощью этой модели можно наглядно описывать многие процессы: теплопроводность, электропроводность и т. д.

Однако вернемся к тепловым колебаниям кристаллической решетки и попытаемся объяснить природу теплового расширения твердых тел. Для этого обратимся к рис. 1.1 и изобразим экстремум графика в увеличенном масштабе (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Тепловые колебания атома при различных температурах

 

На рисунке показаны тепловые колебания атома вокруг равновесного состояния. С ростом температуры амплитуда колебаний растет. Однако, в силу несимметричности функции U (r) относительно координаты r ₀ и гармоничности тепловых колебаний, положение равновесия смещается на ∆ r ₁, ∆ r ₂,…∆ r_n при повышении температуры. Таким образом, равновесное расстояние между частицами кристалла с температурой возрастает, что и приводит к тепловому расширению кристалла по известному закону

 

L = L ₀(1+ αt), (1.14)

где α – температурный коэффициент расширения,

t – температура,

L ₀ – длина тела при 0ºС.