晶体极化的微观机制.ppt

目录1.朗之万-德拜(Langevin-Debye)极化理论及其局限性2.晶体极化机制应由量子理论和统计物理解释3.NaCl晶体在外电场中的极化率与极化强度4.各向异性晶体的极化5.结语第2页,共20页，星期六，2024年，5月1.朗之万-德拜(Langevin-Debye)极化理论

及其局限性我们知道,一个电矩为p的电偶极子在电场E中的势能为q为p与E之间的夹角.朗之万(Langevin)根据波尔兹曼分布定律,给出在外电场作用下,气体和液体的取向极化所导致的极化强度(1)P0——分子固有电偶极矩N0——单位体积内被取向极化的分子数cosq——热平衡分布下cosq的平均值,称为朗之万函数,记为L第3页,共20页，星期六，2024年，5月(2)在弱场作用下,即当时,有(3)将(3)代入(1),得气体和液体取向极化导致的极化强度为(4)其中(5)称为每一分子的平均取向极化率.第4页,共20页，星期六，2024年，5月在同时出现电子极化,离子极化和取向极化的一般情形下,对于气体和液体电介质,朗之万-德拜(Langevin-Debye)方程给出每一分子的平均极化率(6)其中ae是电子极化率,ai是离子极化率,a0是取向极化率.以Ne表示单位体积内电子极化的分子数,Ni表示单位体积内离子极化的分子数,N0表示单位体积内取向极化的分子数.朗之万-德拜由经典统计物理给出的极化强度为(7)第5页,共20页，星期六，2024年，5月朗之万-德拜极化理论的局限性朗之万-德拜极化理论成功解释了极性分子气体和液体的极化，但是却不能解释晶体极化问题.主要表现在两个方面：（1）朗之万-德拜理论给出的取向极化率反比于温度:但是,对于离子晶体，极化率随温度变化很小,例如对于NaCl晶体,约为3.4×10-41/K.（2）对于各向异性晶体的极化问题,朗之万-德拜理论更不能解释.第6页,共20页，星期六，2024年，5月2.晶体极化机制应由量子理论和统计物理解释实践表明——介质的极化响应,决定于:介质的内部结构作用外场的强度、频率，以及温度即使作用外场的强度、频率，以及温度相同，不同结构的介质,也有不同的极化响应.极化强度所反映的，是在外电场作用下大量分子极化这一微观现象所表现出来的统计性质.因此,必须根据介质的具体结构,利用量子理论和统计物理,才能对各种介质的极化响应给出合理解释.第7页,共20页，星期六，2024年，5月爱因斯坦振子爱因斯坦曾经利用量子理论,成功解释了固体热容量随温度下降的实验事实.爱因斯坦将固体中原子的热运动看成3N个谐振子的振动，并假设这3N个振子的频率w相同.振子能级为(8)我们认为,对于线性各向同性晶体在外电场作用下的极化响应问题，晶体中离子的振动同样符合爱因斯坦模型.例如NaCl晶体，每个离子的一个自由度的振动能量也符合式(8)，如图(1)所示.第8页,共20页，星期六，2024年，5月下面,我们从量子理论出发并根据统计理论,把外电场对晶体离子的影响看成是对谐振子的微扰项,即晶体受到弱场作用.首先给出线性各向同性晶体,例如NaCl晶体在外电场作用下极化强度的表达式,再把这一结果推广到各向异性晶体.第9页,共20页，星期六，2024年，5月3.NaCl晶体在外电场中的极化率与极化强度电场强度一般地是位置的函数，记为E(x)．根据晶格对称性和电荷的对称性，我们讨论晶体中的Na＋离子.设一个Na＋离子位于晶体中x处，则离子的哈密顿量为