黄昆版固体物理习题课_03

sin2
1
aq]2}
2
(mmMM){1[1(m4mM M)2
sin2
1
aq]2}
—— 对应一个q有两支格波：一支声学波和一支光学波。总 的格波数目为2N
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
16/34
4 cos aq m2
4 sin aq m2
—— 两种色散关系如图所示
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
补充题一、证明在由两种不同质量M,m(M>m)的原子所组成的
一维复式格子中，如果波矢q取边界值
（a为相邻原子
间距），则在声学支上质量为m的轻原子全部保持不动；在光
学支上质量为M的重原子保持不动。
解：如图所示
令 为近邻原子间 的恢复力常数
则运动方程可表为：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
令试探解为： 可以得到： 于是得到频谱关系：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
26/34
（3）在长波情况下，横向晶格振动的色散关系为：
相应的频率分布函数为： 则：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
27/34
3.6 计算一维单原子链的频率分布函数() 设单原子链长度
波矢取值
33/34
因为对于光学波，在
处振动频率具有最大值
频率分布函数
V
f()42
A13/2(0)1/2
0
0 0
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
34/34
两边微分得到
31/34
将dq 和
代入
得到 f()4 V 2A 1 3/2(0)1/2
0
时
为虚数，有 f () 0
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
32/34
方法 2 振动模式密度函数 已知三维色散关系
—— 对于q空间的等频率面，波矢q为常数
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
解（1）以 表示位于l列m行（l,m）的原子在垂直所在平面方向 离开平衡位置的位移，仅考虑近邻原子的作用有：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
24/34
令试探解为： 得到：
（2）在平面内的原子位移为矢量，表为： 所受的力为： 则有：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
25/34
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
21/34
——
—— 两种色散关系
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
22/34
—— 两种色散关系
—— 色散关系图
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
23/34
补充例题五、设有由相同原子组成的二维正方格子点阵，原子 的质量为M，晶格常数为a，近邻原子的恢复力常数为 。 （1）假定原子只作垂直表面的横向振动，求横向晶格振动的色 散关系； （2）假定原子只在表面内振动，求其晶格振动的色散关系； （3）在长波情况下，求出横向晶格振动的频率分布函数。
29/34
代入 频率分布函数
()2N 1 02 2
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
30/34
3.7 设三维晶格的光学振动在q=0附近的长波极限有： 证明：频率分布函数
三维晶格振动的态密度
dq间隔内的状态数
V
n(q)(2)3
4q2dq
对
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
式中m为原子的质量。 解：格波总能量为：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
04/34
求和遍及链上所有原子。总能量对时间的平均值为：
将 得到
代入
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
05/34
每个原子对时间的平均能量为： 根据一维单原子链的色散关系： 可以得到：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
06/34
补充例题三：求一维复式格子晶格振动的总动量 解： 由
可以得到晶格振动的总动量
由：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
07/34
当 当 对于长光学支： 对于长声学支：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
08/34
补充例题四、利用德拜模型估算： （1）在绝对零度下晶体中原子的均方位移； （2）在非零温度下原子均方位移和温度的关系； 解：在德拜模型下，晶体中的晶格振动被看成弹性波，假定某 支弹性波的方程为：
01/34
设试探解： 将试探解代入方程得到： 由线性齐次方程组有非零解的条件得到：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
02/34
当：
代入原方程组得到： 光学支：
声学支：
当：
光学学性质
03/34
补充题二、设有一纵波：
沿着一维单原子链传播，原子间距为a，最近邻忽作用的恢复 力常数为 试证明：每个原子对时间平均的总能量为：
考虑到晶体中存在有许多不同频率、不同模式的格波，因此总 的均方位移应对所有不同格波进行求和。又由于各振动模式间 是相互独立的，因此有：
当N足够大时，振动频率趋于连续，求和可以用积分代替
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
11/34
将德拜模型的频率分布函数及最大频率代入得：
（2）非零温度下相应于某频率的格波的平均能量应为格波能 量和该温度下该格波的平均声子数之积，即：
17/34
长波极限情况下
—— 与一维单原子晶格格波的色散关系一致
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
18/34
3.3质量相同两种原子形成一维双原子链，最近邻原子间的
力常数交错等于
和
，并且最近邻的间距
1) 求出色散关系和分析计算 2) 大致画出色散关系图
处格波的频率值
解： 绿色标记的原子位于2n-1， 2n+1， 2n+3 ……
质量为m的原子位于2n， 2n+2， 2n+4 ……。
牛顿运动方程
—— N 个 原 胞 ， 有 2N个独立的方程
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
14/34
方程
的解 代回到运动方程
A、B有 非零解
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
15/34
两种不同的格波的色散关系
2
(mmMM){1[1(m4mM M)2
则由该支格波引起的对时间的均方位移为：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
09/34
假定晶体的体积为V，密度为D，则相应这支格波的平均动能 为：
（1）由于绝对零度下相应于频率为 的零点能为： 相应于频率为 的那支格波引起的原子均方位移为：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
10/34
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
12/34
则相应该格波的平均动能为： 则在该温度下相应于该频率的原子均方位移为： 于是对应该温度下的原子均方位移为：
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
13/34
3.2 讨论N个原胞的一维双原子链（相邻原子间距为a），其 2N个格波解，当M=m时与一维单原子链的结果一一对应 解：质量为M的原子位于2n-1， 2n+1， 2n+3 ……。
红色标记原子位于2n， 2n+2， 2n+4 ……
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
19/34
—— 第2n个原子和第2n＋1个原子的运动方程
—— 体系N个原胞，有2N个独立的方程 —— 方程的解
令
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
20/34
—— A、B有非零的解，系数行列式满足
每个波矢的宽度
状态密度
dq间隔内的状态数
对应q，取值相同， d间隔内的状态数目
()d2N 2adq
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质
28/34
d间隔内的状态数目 一维单原子链色散关系
令
()d2Nadq 2
2 4sin2(aq)
m2
两边微分得到
习题问题讨论三 ——晶格振动与晶体的热力学性质