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34晶体的比热

§3 .4晶体的比热 一.概述 定容比热的定义为单位质量的物质在定容过程中,温度升高一度时,系统内能的增量,即 晶体的运动能量包括晶格振动能量Ul和 电子运动能量Ue这两种运动能量对比热 的贡献.分别以Cυl(晶格比热)和Cυe(电子比热)来表示。 除极低温下金属中的电子比热相对较大外,通常Cυl Cυe,所以本章仅讨论晶格比热Cυ=Cυl=C。 = 则定容比热为 ∴关键和难点是求出 思考题 定容比热的定义为单位质量的物质在定容过程中,温度升高一度时,系统内能的增量,即 二.Einsten模型 假定晶体中所有原子都以相同频率独立地振动,则晶体中的格波频率相同,能量相同,振动内能 则比热Cv为 则比热成为?E和温度T的函数 在常用的、Cv显著变化的温度范围内,使比热的理论曲线尽可能好地与实验曲线拟合,从而确定爱因斯坦温度?E。 对于大多数固体,?E在100~300K 范围。 三、Debye模型 把晶体视为各向同性的连续弹性媒质。设晶体是N个初基原胞组成的三维单式格子(s=1),仅有3支声学格波。 并设它们的相速都相同。因而三支格波的色散关系均是线性的 ?=?pq 等能面为球面 可得格波态密度函数: 代入式(3-68) 求得 ?D3=(6π2 NVp3)/V (3-75) 引入德拜温度?D ??D=kB?D 作变量代换 式(3-73) 四、实验和理论的比较 (一)、实验定律 1. 杜隆-珀替定律:对确定的材料,高温下的比热为常数,摩尔热容为3R(R为气体普适常数)。 2. 德拜定律:低温下的固体比热与T3成正比。 (二)高温情况 1 .与爱因斯坦模型比较 高温时 1, 当x1时,ex?1+x, 则式(3-71) 式(3-71)成为 Cv=3NSkB 若所考查的晶体为一摩尔同元素的物质, 则NS=N0(N0为阿伏伽德罗常数) Cv=3N0kB=3R 即在高温下Einsten模型符合杜隆-珀替定律。 2 .与德拜模型比较 (三)低温情况 低温时 1, 1, 式(3-71)即成为 T?0时,Cv?0是当年长期困扰物理界的疑难问题,所以爱因斯坦理论对这个问题的解决是量子论的一次胜利。 (原因是使用了谐振子能量的量子力学表示) 但爱因斯坦模型求出的Cv随温度的下降速度比T3规律要快,可见爱因斯坦模型在定量上并不适用于低温情况。 2 .与德拜模型比较 式中的积分上限可近似取为无穷大,则积分成为 (四)两种模型与实验结果符合或偏 离的原因分析 1 .高温情况 晶体内能(与温度有关部分)=晶格振动能 =已激发格波的能量之和: 此时(略去零点能)晶体振动能 = · ωi =3NSkBT 该结果也表明3NS个格波中的每个格波的能量均为kBT。 求Cv关心的是内能 与温度T的关系,现在 与?无关,即不同频率的格波的能量相同,所以如何设?的分布已无关紧要,故两种模型均正确。 另外,一般情况下,光学格波?的范围较窄,在讨论光学格波时可近似设?= ?E 。 到此请注意理解: 高温时,两种模型都假定全部格波均已充分激发,尽管两个模型对格波频率及其分布作了不同的假设,但在高温下各模型都趋于经典极限。 在经典物理中,每个简谐振子满足能量按自由度均分定理,每个自由度都有相同的 平均动能= 平均势能= 则每个谐振子的能量=kBT。 2 .低温情况 (1) .关于爱因斯坦模型 定性地认为只有?i?(kBT/ )的那些格波在温度T时才激发,只有这些已激发的格波才对比热有实际贡献;而?i?(kBT/ )的格波被“冻结”,对比热无贡献。 在爱因斯坦模型中,假设晶格中所有原子均以相同频率独立地振动,即设不论在什么温度下所有格波均激发,显然与实际不符,这就是低温下爱因斯坦模型定量上与实验不符的原因。 (2)关于德拜模型 德拜模型考虑了格波的频率分布,把晶体当作弹性连续介质来处理的。低温情况下,温度越低,能被激发的格波频率也越低,对应的声学格波的波长便越长,而波长越长,把晶体视为连续弹性介质的近似程度越好。即温度越低,

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