晶格振动与晶体的热学性质

在研究晶体时，认为各原子占据着点阵的结点，为了简化也常假设各原子在结点上是静止不动的。实际上，晶体内的原子并不是在各自的平衡位置上固定不动的，而是围绕其平衡位置作热振动。热振动的剧烈程度与温度有关。当温度不太高时，各原子在平衡位置附近作微小振动；温度升高，少数原子离开平衡位置作较长距离的运动，产生扩散现象；温度再高，绝大多数原子作剧烈运动，破坏了周期性，结果导致晶体的熔化。人们把原子在平衡位置附近的微小振动叫做晶格振动。晶格振动以波的形式在晶格中传播叫做格波。由于晶体内原子间存在着相互作用力，各个原子的振动也并非是孤立的，而是相互联系着的，因此在晶体中形成了各种模式的波。只有当振动甚为微弱时，原子间非谐的相互作用才可以忽略，即在简谐近似下，这些模式才是相互独立的。由于晶格的周期性条件，模式所取的能量值不是连续的而是分立的。对于这些独立而又分立的振动模式，可用一系列独立的简谐振子来描述。和光子的情形相似，这些谐振子的能量量子ħω称为声子，其中ω是振动模式的角频率。这样晶格振动的总体就可看做是声子的系统。若原子间是非谐的相互作用可看做微扰项，则声子间发生能量交换，并且在相互作用过程中，某种频率的声子产生，另外频率的声子则湮灭。

晶格振动对晶体的许多性质有重要的影响，例如固体的热容、热膨胀、热传导等直接与晶格振动有关。这些都可以用声子的概念来描述，晶格的振动使电子受到散射而电阻增加，这可看做是电子受到声子的碰撞。另外，晶体中的光学性质也与晶格振动有密切关系，这在很大程度上可看做是光子与声子的相互作用乃至强烈的耦合。(www.xing528.com)