Аналит. геометрия | Диф. уравнения | Элемен. математика | ТФКП | Билеты | Mathematica | MATLAB | Maple 7
1 семестр | 2 семестр | 3 семестр | 4 семестр | Мат. анализ ч1 | Мат. анализ ч2 | Мат. анализ ч3 | Мат. анализ ч4 | Строение атомных ядер | Модели атомных ядер | Ядерные реакции | Термодинамика | Магнитое поле | Оптика | Механика

Учебник физики, раздел Оптика

 

Теплоемкость кристаллической решетки

Носителями энергии равновесного теплового излучения согласно концепции Планка являются стоячие (электромагнитные) волны. При этом энергия для каждой частоты отмеряется “порциями”, квантами ћ, количество которых определяется распределением Больцмана:

 

.

 

И весьма интересно, что в совсем другой задаче, задаче о теплоемкости кристаллической решетки опять-таки “проходит” такой же подход.

Однако, сначала нужно сказать несколько слов об истории вопроса. Содержащий N атомов кристалл имеет 3N степеней свободы - столько значений координат необходимо для описания положения атомов. Согласно классическим представлениям на каждую степень свободы должна приходиться энергия kT: по kT/2 на кинетическую и на потенциальную энергию. Отсюда следует закон Дюлонга и Пти, согласно которому молярная теплоемкость Cm всех кристаллов одинакова:

 

.

 

Здесь NA - число Авогадро, R - универсальная газовая постоянная.

И действительно, при достаточно высоких температурах этот закон оказывается справедливым, но он нарушается при низких температурах. И причина в том, что при низких температурах и при  достаточно высоких частотах колебаний оказывается ћ>kT, а между тем величина ћ - минимальная порция энергии на частоте . Значит, при низкой температуре невозможна энергия kT на степень свободы.

Поправить дело попытался Эйнштейн. Он ввел квантование для энергий колебаний отдельных атомом кристалла (3N осцилляторов), введя для каждого среднюю энергию . При этом распределение осцилляторов по энергиям он считал подчиняющимся распределению Больцмана.

Полученное им выражение качественно верно описывало поведение теплоемкости и вблизи нулевой температуры. Но много более точный результат был получен Дебаем.

Дебай посчитал, что колебания отдельных атомов не являются независимыми - колебания одного атома вынуждают колебания соседних атомов. Иначе говоря, колебания представляют собой стоячие волны. Любопытно, но количество возможных стоячих волн должно совпадать с числом степеней свободы - 3N.

Собственно, рассуждения Дебая в основном повторяют рассуждения Планка. Выбрав некий объем в виде прямоугольного параллелепипеда V=abd, подсчитывается количество возможных стоячих волн. Условия существования стоячей волны остается прежним: произведение составляющей волнового вектора на соответствующий размер тела должен быть равен целому числу .

Для струны это сводится к условию кратности ее длины длине полуволны:

.

 

Для прямоугольной пластины площадью S=ab необходимое условие будет

.

 

При таком условии вышедшая из некоторой точки волна после отражений от краев пластины возвращается в то же точку с той же фазой.

                   2

 

    a

 

b

 

   1

Пояснение этому утверждению дается рисунком. Введем радиус-вектор, соединяющий точки 1 и 2

 

.

 

Движение волны вдоль этого радиус-вектора эквивалентно распространении волны в пределах пластины. И поскольку

 

,

 

волна из точки 1 в точку 2 прийдет с изменение фазы на целое число 2p. Значит, это утверждение справедливо и для распространения волны в пределах пластины из точки 1 и, - после отражений, снова в точку 1.

               kZ

 

                     Dk

 

 

             k

    kX                kY

Перейдем теперь к трехмерному кристаллу размерами a×b×d. При этом добавляется еще условие .

На рисунке схематически показана 1/8 часть сферы радиуса k в пространстве k-векторов и соответствующая часть сферического слоя толщиной Dk. На один конец k-вектора приходится объем . Следовательно, количество k - векторов с модулем в пределах от k до k+Dk и положительными проекциями на оси будет

 

.

 

Мы учитываем только k-векторы с положительными проекциями на оси. Смена знака одной из проекций происходит при отражении волны, но это та же волна, повторно учитывать ее не следует.

Количество таких k-векторов на единицу объема кристалла

 

.

 

Поскольку , мы можем перейти в этом выражении к частотам. Кроме того, необходимо еще добавить множитель 3, поскольку упругие колебания могут происходить в направлении распространения волны и в двух взаимно перпендикулярных поперечных направлениях. Таким образом, переходя к дифференциалам, получаем

 

.

 

Такова плотность стоячих волн в кристалле. Однако с подсчетом энергии колебаний здесь возникают некоторые особенности, о которых речь пойдет ниже.

Высшая математика - лекции, курсовые, типовые задания, примеры решения задач Основы математического анализа