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第三章 晶格的振动.docxVIP

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第三章晶格的振动

一、1.晶格振动的概述

晶格振动是固体物理学中的一个基本概念,它描述了固体中原子或分子在平衡位置附近的小幅度振动。在晶体结构中,原子或分子按照一定的规则排列成有序的周期性结构,这种结构使得晶体具有独特的物理和化学性质。晶格振动的研究对于理解固体的热力学、电子结构和机械性能具有重要意义。

在固体物理学中,晶格振动通常被看作是简谐振动,即原子或分子在平衡位置附近受到恢复力作用而产生的振动。这种恢复力是由相邻原子或分子之间的相互作用力引起的,它可以由势能函数来描述。通过分析势能函数,可以确定晶格振动的频率、振幅和相干性等特性。

晶格振动可以分为多种类型,包括声子、纵波、横波和表面波等。其中,声子是晶格振动的量子化形式,它是固体热传导和扩散的基本载体。在固体中,声子的能量与温度有关,温度越高,声子的能量也越高。纵波和横波是按照振动方向与波传播方向的关系来分类的,纵波中质点的振动方向与波的传播方向相同,而横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直。表面波则是在固体表面传播的波动,它对固体表面的物理性质有重要影响。

晶格振动的理论研究涉及多个领域,包括经典力学、量子力学和固体物理学。在经典力学中,可以通过哈密顿量来描述晶格振动的动力学行为,并通过求解哈密顿量的本征值问题来得到晶格振动的频率和波函数。在量子力学中,晶格振动可以通过量子力学中的薛定谔方程来描述,这需要引入晶格的周期性边界条件和相互作用势。在固体物理学中,晶格振动的研究往往与固体材料的电子结构和物理性质紧密相关,例如,电子在晶体中的输运过程就受到晶格振动的强烈影响。

二、2.晶格振动的类型

(1)晶格振动的类型主要包括声子、纵波、横波和表面波等。在晶体中,声子是晶格振动的量子化形式,其能量与温度密切相关。例如,在硅晶体中,室温下声子的平均能量约为0.021eV。声子作为固体热传导的主要载体,其热导率与声子的数量和频率有直接关系。在硅晶体中,声子的热导率约为150W/m·K。

(2)纵波和横波是按照振动方向与波传播方向的关系进行分类的。纵波中质点的振动方向与波的传播方向相同,如地震波中的P波(纵波)。P波在固体中的传播速度约为5.5km/s。横波中质点的振动方向与波的传播方向垂直,如地震波中的S波(横波)。S波在固体中的传播速度较慢,约为3.5km/s。在实际应用中,地震波的分析可以帮助我们了解地壳的结构。

(3)表面波是在固体表面传播的波动,具有明显的方向性。表面波可以分为瑞利波和洛夫波。瑞利波(Rayleighwave)在固体表面附近传播,质点振动方向呈椭圆形状。瑞利波的速度介于纵波和横波之间,约为3.0km/s。洛夫波(Lovewave)在固体表面以下传播,质点振动方向与表面垂直。洛夫波的速度约为2.5km/s。在地震勘探中,表面波可以提供地下结构的重要信息。例如,在墨西哥湾的地震勘探中,通过分析洛夫波的速度变化,研究人员发现了一个深层的油藏。

三、3.晶格振动的基本理论

(1)晶格振动的基本理论建立在经典力学和量子力学的基础上。在经典力学框架下,晶格振动可以通过哈密顿量来描述,其中势能函数反映了原子或分子之间的相互作用。通过对哈密顿量的求解,可以得到晶格振动的频率、振幅和波函数等基本物理量。例如,在简单的双原子分子晶体中,势能函数可以表示为谐振子势,其频率与分子间力常数和原子质量有关。

(2)量子力学为晶格振动提供了更为深入的理解。在量子力学中,晶格振动被视为量子化的简谐振动,即声子。声子具有波粒二象性,既有波动性也有粒子性。通过薛定谔方程的求解,可以得到声子的能级和波函数。声子的能级与晶格振动的频率有关,通常以量子化的能量单位表示。例如,在硅晶体中,声子的能级约为0.021eV。

(3)晶格振动的基本理论还涉及到晶格振动模式的概念。晶格振动模式描述了晶格中原子或分子振动的具体形式。在晶体中,每个原子或分子可以参与多个振动模式,这些振动模式可以通过线性组合来表示。通过分析晶格振动模式,可以了解晶体的热导率、弹性模量和光学性质等物理性质。例如,在金刚石晶体中,每个碳原子可以参与两个振动模式:一个沿X轴,另一个沿Y轴。这些振动模式对于金刚石的高硬度和良好的热导率有重要贡献。

四、4.晶格振动的计算方法

(1)晶格振动的计算方法主要包括经典方法和量子力学方法。经典方法通常基于经典力学和固体物理的基本原理,如哈密顿量、势能函数和薛定谔方程。这些方法可以用来计算晶格振动的频率、振幅和波函数等基本物理量。例如,利用分子动力学模拟,研究人员可以计算晶体在不同温度下的振动频率和振动模式。

(2)量子力学方法则基于量子力学原理,通过求解薛定谔方程来研究晶格振动。这些方法包括第一性原理计算和半经验方法。第一性原理计算直接基于电子和

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