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第三章晶体中原子的热振动
第一章、第二章中在讨论晶体的结合、固体中结合力性质以及相关物质性质(例第二章中的压缩系数
或体弹性模量、抗张强度等)时曾忽略了晶体中原子热运动的影响(例当时考虑了T=0K这种最简单的情
况),认为固体中原子是处在平衡位置(即ur),这时整个晶体的势能最小,而
0,ur最小
r0
rr0
实际上晶体中原子并非固定不动的,而是在其平衡位置附近或围绕其平衡位置作振动。这种振动即本章所
1213
讨论的所谓热振动,在高于绝于零度以上的任何温度,这种运动都会发生,其振动频率大体在10-10次
-9
/S,其振幅的数值决定于温度和晶体本身的性质,其振幅数量便大体为10cm。在较高温度下,振动原子
通过偶然性的统计涨落,可获得高于平均能量的能量,当这种能量的大小足以摆脱周围原子束缚时,原子
可离开其平衡位置而到达一个新的平衡位置,即产生扩散现象。关于这方面的问题将在第四章中讨论。本
章讨论原子的热振动的情况,即在温度不太高时原子作微小振动的情况。
晶体中原子的热振动同晶体的许多重要宏观性质有关,例固体的比热、热膨胀、热传导等热学性质,
电阻、超导电性等固体的电学性质,红外吸收与辐射等光学性质等。所以,对晶体中原子热振动的研究和
讨论是认识和了解固体中许多宏观性质、微观过程及其机理的重要基础。本章只着重讨论其中的有关固体
热学性质的部分,其它部分在本章最后的小结及后续章节、后续课程中可能有介绍(例电阻的产生机理、
声子、电子运动等),因为热学性质是原子的振动在宏观性质上最直接的表现,对晶体原子振动的研究,
最早是从热学性质开始的。(在“统计热力学”中将讨论有关配分函数的处理及热力学函数的计算,本章
中固体比热的计算,同上述内容有联系。)
§3.1晶体中原子的微振动及其量子化
1.设晶体由N个原子组成,它们相对于平衡位置的位移,分别用(x,x,x)、(x,x,x)……、(x,
1234563N-2
x,x)来表示,则其动能可表示为:
3N-13N
13N21dx
Tmx(1)(Tmv(vx))
2
2ii2dt
i1
其中m是坐标为x的原子的质量。实际上x,x,x是同一个原子的坐标,故有m=m=m。对于
i1123123
x,x,x……x,x,x等都是如此,采用下列变换:
3453N-23N-13N
gmxi1,2,3N
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