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§3-8晶格热容的量子理论
§3-8晶格热容的量子理论Quantum theory of lattice thermal capacity 一、晶格热容理论( CV); 二、晶格热容CV计算模型; Ⅰ. 爱因斯坦(Einstein)模型; Ⅱ. 德拜(P.Debye)模型。 一、晶格热容理论(CV) 固体热容主要来自两部分贡献 求解CV的一般方法 杜隆——珀替定律 低温下晶格比热下降 (1)晶体平均能量E 量子热容理论 一个简谐振动(频率为ωj)对CV的贡献 一个简谐振动(频率为ωj)对CV的贡献 (3)晶格总热容 二、计算晶格热容CV的理论模型 Ⅰ. Einstein模型 Einstein模型的计算 Einstein模型的计算 Einstein模型的讨论 Einstein模型的讨论 Einstein模型的评价 Einstein理论与实验比较图 Ⅱ. P.Debye模型 Ⅱ. Debye模型 (一)Debye模型的理论计算 1、频率分布函数g(ω)及gD(ω) ; 2、晶格平均能量; 3、晶格比热容CV。 (二)Debye模型的讨论 1、高温情况; 2、低温情况; 3、评价。 (一)Debye模型的理论计算 Debye模型的频率分布函数gD(ω) Debye模型的频率分布函数gD(ω) Debye模型的频率分布函数gD(ω) 2、晶格平均能量 2、晶格平均能量 2、晶格平均能量 3、晶格比热容CV 3、晶格比热容CV (二)Debye模型的讨论 (二)Debye模型的讨论---高温情况 2、低温情况 (二)Debye模型的讨论--- 低温情况 (二)Debye模型的讨论--- 低温情况 3、Debye模型的评价 3、Debye模型的评价 3、Debye模型的评价 条件:低温(T Θ D) 讨论: 符合实验结果 称为 德拜T3定律 可见 实际上T3定律一般只适用于大约 的范围内。 (1)按照 Debye理论,一种晶体的CV特征完全由它的Debye温度确定。 故可以由CV(实验)得到ΘD,使CV(理论)与实验值符合更好。 Debye理论与实验比较(实验点是镱的测量值) 即P130图3-23 * 固体的热容量是原子振动在宏观性质上的一个最直接的表现。实验表明: ◆在室温和更高的温度下,几乎全部单原子固体的热容接近3NkB,即杜隆—珀替定律; ◆在低温情况下,固体比热容与T3成比例,渐趋于零。 一是来源于晶格热振动,称为晶格热容; 是晶格热容的主要贡献,是本节的主要讨论内容; 一是来源于电子热运动,称电子热容; 一般贡献很小,除非在很低温度情况下。 第一步:写出 的表达式; 第二步:代入公式计算CV。 其中, 是指固体的平均内能。 固体中的热容一般指定容比热容CV,在热力学中, 根据经典统计理论的能量均分定理,每个简谐振动的平均能量为kBT,kB是玻耳兹曼常数。设体系有N个原子,则有3N个简谐振动模式,则总的平均能量为: 则晶格热容为: 为了解决这一矛盾,爱因斯坦发展了普朗克量子假说,第一次提出了量子热容量理论。 表明:晶格热容是一个与温度和材料性质无关的常数。这条规律在高温时,与实验符合得很好,但在低温时,热容不再保持为常数,而是随T下降而很快趋于0。如图“低温下晶格比热下降”所示。 P123图3-20 低温下晶格比热下降 (1)U表示原子静止在平衡位置时的晶体能量; (2)后一项是晶格振动能量,其中nj是一个振动模式的平均声子数。 量子热容理论 简谐振动的能量本征值为: 其统计平均能量为: ……注:P123(3-121)式 (2)一个简谐振动(频率为ωj)对CV的贡献 ………P123(3-121)式 设晶体中包括N个原子,共有3N个简谐振动模式,则 可见, 但是,对于具体晶体计算出3N个简正频率往往是十分复杂的。在一般讨论时常采用这样两个模型:爱因斯坦(Einstein)模型和德拜(p.Debye)模型。 模型要点: (1)认为晶体中所有原子都以相同的频率振动,设为ω0,即忽略了色散关系的存在。 (2)晶格振动能量是量子化的。 体系规定: N个原子组成,共有3N个频率为ω0的振动。 前面的结论有: 则: (1)高温情况(TθE): 所以, (2)低温情况(TθE): 结论: (1)T趋近于0时的理论结果与实际符合较好; (2)T处于低温段时,实验值与理论不符; 实验结论: CV(低温)~T3 前提假设过于简单 Einstein把固体中各原子的振动看成是相互独立的,因而体系的3N个振动 频率是相同的。实际上, (1)固体中原子之间存在着很强的相互作用,一个原子不可能孤立地振动,而不牵连邻近原子。 (2)晶格振动产生的
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