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(1)简谐近似RU(r)R0两原子间距不变,无热膨胀现象第95页,共121页,星期六,2024年,5月两原子间距增大,有热膨胀现象。由玻尔兹曼统计,原子离开平衡位置的平均位移2.理论计算(2)非简谐效应第96页,共121页,星期六,2024年,5月(c、g均为正常数。)(1)简谐近似:是?的奇函数在简谐近似下无热膨胀现象。第97页,共121页,星期六,2024年,5月(2)非简谐效应:在非简谐效应下,有热膨胀现象。推导略第98页,共121页,星期六,2024年,5月第99页,共121页,星期六,2024年,5月第100页,共121页,星期六,2024年,5月线膨胀系数当势能只保留到3次方项时,线膨胀系数与温度无关。若保留更高次项,则线膨胀系数与温度有关。显然,在简谐近似下,g=0,?=0。第101页,共121页,星期六,2024年,5月3.6.4晶体的状态方程和热膨胀由热力学知,压强P、熵S、定容比热CV和自由能F之间的关系为:自由能F(T,V)是最基本的物理量,求出F(T,V),其他热力学量或性质就可以由热力学关系导出。1.晶体的状态方程第102页,共121页,星期六,2024年,5月晶格自由能F1=U(V)F2由统计物理知道:Z是晶格振动的配分函数。频率为?i的格波,配分函数为:由晶格振动决定T=0时晶格的结合能若能求出晶格振动的配分函数,即可求得热振动自由能。第103页,共121页,星期六,2024年,5月忽略晶格之间的相互作用能,总配分函数为:由于非线性振动,格波频率?i也是宏观量V的函数,所以第104页,共121页,星期六,2024年,5月第105页,共121页,星期六,2024年,5月式中表示频率为?i的格波在温度T时的平均能量,而?是与晶格的非线性振动有关与?i无关的常数,称?为格林艾森数。第106页,共121页,星期六,2024年,5月为晶格振动总能量。对于大多数固体,体积的变化不大,因此可将在晶体的平衡体积V0附近展开:若只取一次方项,则晶体的状态方程(格林艾森方程)2.由状态方程讨论晶体的热膨胀第107页,共121页,星期六,2024年,5月其中K是体积弹性模量。热膨胀是在不施加压力的情况下,体积随温度的变化。上式两边对温度T求导得:上式等号右边第二项是非常小的量可略去,所以第108页,共121页,星期六,2024年,5月格林艾森定律。(1)热膨胀系数与格林艾森数成正比。对于简谐近似,?=0,无热膨胀现象。热膨胀是非简谐效应,?可作为检验非简谐效应大小的尺度,同样?也可用作检验非简谐效应的尺度。实验测定,对大多数晶体,?值一般在1~3范围内。(2)热膨胀与热振动成正比,所以热膨胀系数?与晶体热容量成正比。第109页,共121页,星期六,2024年,5月3.6.5统计物理方法采用简谐近似,当温度较高,第110页,共121页,星期六,2024年,5月考虑非谐效应,第111页,共121页,星期六,2024年,5月第三章晶格振动总结晶体的非简谐效应晶体比热确定晶格振动谱的实验方法三维晶格振动、声子一维晶格振动长波近似第112页,共121页,星期六,2024年,5月振动很微弱时,势能展式中只保留到(?r)2项,3次方以上的高次项均忽略掉的近似为简谐近似(忽略掉作用力中非线性项的近似)。格波:晶体中的原子都在它的平衡位置附近不断地作微振动,由于原子间的相互关联,以及晶体的周期性,这种原子振动在晶体中形成格波。一维晶格振动在简谐近似下,格波可以分解成许多简谐平面波的线性叠加。第113页,共121页,星期六,2024年,5月模型运动方程试探解色散关系波矢q范围一维无限长原子链,m,a,?晶格振动波矢的数目=晶体的原胞数B--K条件波矢q取值n-2nn+1n+2n-1amm第114页,共121页,星期六,2024年,5月一维双原子链振动2n-22n2n+12n+22n-1Mma第115页,共121页,星期六,2024年,5月3nN种声子3N种声学声子,(3n-3)N种光学声子。3nN个振动模式晶格振动的波矢数目=晶体的原胞数N,格波振动频率数目=晶体的自由度数mNn,独立的振动模式数=晶体的自由度数mNn。N是晶体的原胞个数,n是原胞内原子个数,m是维数。声子:晶格振动的能量量子。能量为准动量为。三维晶格振动、声子第
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