- •Министерство образования Республики Беларусь
- •Содержание
- •1.1 Предмет и задачи физики твердого тела
- •1.2 История развития
- •2.3.2 Плотность упаковки
- •2.3.3 Координационное число
- •2.1 Кристаллические и аморфные тела
- •2.3 Образование плоскостей и направлений в кристалле
- •2.3.1 Индексы Миллера
- •Плотность упаковки
- •2.4 Анизотропия кристаллов
- •3.1 Классификация состояний электронов в атоме
- •3.2 Периодическая система элементов Менделеева
- •4.1 Силы, действующие между частицами твердого тела
- •Ионные кристаллы
- •Атомные кристаллы
- •Металлические кристаллы
- •4.4 Молекулярные кристаллы
- •Кристаллы с водородными связями
- •4.6 Сопоставление различных типов связей
- •5.1 Классификация дефектов в кристаллах
- •5.2 Точечные дефекты в кристаллах
- •5.3 Дислокации
- •5.4 Границы зерен
- •5.5 Прочность твердых тел
- •6.1 Напряжения
- •6.2 Деформации
- •6.3 Диаграммы деформаций
- •6.4 Закон Гука для изотропных твердых тел
- •6.5 Закон Гука для анизотропных твердых тел
- •Основы динамики кристаллической решетки
- •Одномерные колебания однородной струны
- •Колебания цепочки одинаковых атомов
- •Колебания цепочки атомов 2-х сортов
- •Одномерные колебания однородной струны
- •Колебания цепочки одинаковых атомов
- •Колебания цепочки атомов 2-х сортов
- •7.4 Фононы
- •8.1 Теплоемкость
- •8.1.1 Закон Дюлонга и Пти
- •8.1.2 Теория теплоемкости Дебая
- •8.1.3 Электронная теплоемкость
- •8.2 Теплопроводность
- •8.2.1 Понятие о коэффициенте теплопроводности
- •9.7.2 Механизмы теплопроводности твердых тел
- •6.1 Орбитальный магнитный и механический момент электрона
- •9.2 Диамагнетики и парамагнетики
- •9.3 Ферромагнетизм
- •9.4 Антиферромагнетизм
- •10.1 Сверхпроводники первого и второго рода
- •10.2 Теория Бардина-Купера-Шифера
- •Физика твердого тела
- •Тексты лекций для студентов специальности
Колебания цепочки атомов 2-х сортов
Предположим, что имеем цепочку легких атомов с массой m и тяжелых с массой M (см. рисунок 7.5). Расстояние между атомами - a.
Пусть легкие атомы занимают четные положения, а тяжелые - нечетные. Запишем законы движения для легких и тяжелых частиц. Обозначимu2n - смещение атома с массой m, u2n-1 - смещение атома с массой M. Учтем влияние лишь ближайших соседей на движение данного атома. Влиянием более удаленных частиц будем пренебрегать.
Тогда для легких частиц:
,
а для тяжелых частиц:
.
С учетом того, что колебания атомов разных масс могут происходить с различными амплитудами u1 и u2, решение этой системы уравнений будем искать в следующем виде:
,
.
Подставим эти решения в уравнения движения и, сократив общий множитель в каждом из уравнений, получим систему уравнений относительно u1 и u2:
(2-m2) u1 -2 cos (ka) u2=0
-2 cos (ka) u1 + (2-M2) u2=0
Система линейных однородных уравнений будет иметь ненулевое решение в том случае, если определитель равен нулю.
Отсюда получаем уравнение, связывающее частоту и волновое число k:
Корни этого уравнения
.
Отрицательные значения не имеют физического смысла. Поэтому каждому волновому числу k соответствуют два значения , а, следовательно, и две моды колебаний.
Итак, решение задачи о колебаниях атомов двух сортов в цепочке, приводит к двум кривым зависимости (k), которые получили название двух ветвей закона дисперсии (см. рисунок 7.6). Нижнюю кривую называют акустической ветвью, верхнюю - оптической ветвью. Во всем интервале изменений волновых чисел k частота оптических колебаний больше частоты акустических.
Нижняя ветвь ведет себя аналогично кривой для одноатомной цепочки, поэтому она получила название акустической. Верхняя ветвь достигает максимальных значений при k=0 и принимает минимальные значения при . Эту ветвь называют оптической, так как длинноволновые оптические моды в ионных кристаллах могут взаимодействовать с электромагнитным излучением.
Как видно из рисунка 7.6, две ветви разделены полосой запрещенных частот (заштрихованная область на рисунке), в которой уравнения движения не имеют решения. Однако если в цепочке заменить, например, один или несколько атомов массы M на атомы массы m, т.е. ввести в структуру дефекты, то в запрещенной области частот появятся решения, которые называют локальными модами.
Выясним физический смысл различия между акустическими и оптическими модами колебаний атомов в цепочке.
Если рассмотреть нижнюю ветвь колебаний, то для нее амплитуды колебаний легких и тяжелых частиц будут равны (см. рисунок 7.7). Отсюда следует, что для нижней ветви спектра, колебания, смещается синхронно с одинаковыми амплитудами. Фактически для нижней ветви спектр колебаний будет представлять синусоиду, в которой смещаются вверх - вниз синхронно легкие и тяжелые атомы и соответственно их центры масс.
Рассмотрим верхнюю ветвь колебаний. Для колебания легких и тяжелых частиц происходят в противофазе, причем центр масс не меняет своего положения (см. рисунок 7.8).
Таким образом, в цепочке, состоящей их атомов двух сортов атомов, происходит разделение колебаний на акустическую и оптическую ветви. При этом частота оптических колебаний слабо зависит от волнового числа к, а для акустической ветви эта зависимость более сильная. Естественно предположить, что с усложнением модели и ее обобщением на 3-х мерный случай, спектр колебания также будет представлять набор ветвей колебаний (часть акустических, часть оптических). Спектр колебания реальных материалов также может быть представлен в виде ветвей колебаний, что соответствует экспериментальным данным.