Skip to main content

Фонон

(від грец. Phone - звук) квант коливального руху атомів кристала. Коливання атомів кристала завдяки взаємодії між ними поширюються по кристалу у вигляді хвиль, кожну з яких можна охарактеризувати квазіхвильовими вектором k і частотою ω, що залежить від k : ω = ω ν ( k ), де індекс ν = 1, 2, ..., 3 r ( r - число атомів в елементарній комірці кристала) позначає тип коливання (див. коливання кристалічної решітки). Відповідно до законів квантової механіки, коливальна енергія атомів кристала може приймати значення, рівні

E 0 - енергія основного стану, η - Планка постійна. Кожній хвилі можна поставити у відповідність квазічастинку (Див. Квазічастинки) - Ф. Енергія Ф. дорівнює:

р = ηk. Число n кν слід трактувати як число Ф. Розрізняють акустичний і оптичний Ф.; для акустичного Ф. при р → 0 E = sp, де s - швидкість звуку; для оптичного Ф. при р → 0 E min ≠ 0 (у простих кристалів з r = 1 оптичного Ф. немає). Ф. взаємодіють один з одним, з ін. Квазічастинками (електронами провідності (Див. Електрон провідності), магнонного і ін.) І зі статичними дефектами кристала (з вакансіями, дислокаціями (Див. Дислокації) , з межами кристаллитов, поверхнею зразка, з чужорідними включеннями).При зіткненнях Ф. виконуються закони збереження енергії і квазіімпульса. Останній є більш загальним, ніж закон збереження імпульсу (див. Збереження закони) , т. к. сумарний квазіімпульс стикаються квазичастиц, зокрема Ф., може змінюватися на величину 2π ηb, де b - вектор оберненої гратки. Такі зіткнення називаються процесами перекидання, на відміну від нормальних зіткнень ( b = 0). Можливість процесу перекидання - наслідок періодичності в розташуванні атомів кристала. Середнє число Ф.

де T - температура, k - Больцмана постійна. Ця формула збігається з розподілом часток газу, що підкоряються статистиці Бозе - Ейнштейна, коли Хімічний потенціал дорівнює нулю (див. Статистична фізика). Рівність нулю хімічного потенціалу означає, що число N ф >> Ф. в кристалі не зберігається, а залежить від температури. Для всіх твердих тіл (Див. Тверде тіло) N ф Фонон T 3 при Т → 0 і N > ф Фонон Т при Т >>> Θ д д - Дебая температура) . Поняття Ф. дозволяє описати теплові і ін. Властивості кристалів, використовуючи методи кінетичної теорії газів (Див. Гази). Ф. в більшості випадків являють собою головний тепловий резервуар твердого тіла. Теплоємність кристалічного твердого тіла практично збігається з теплоємністю газу Ф. Теплопровідність кристала можна описати як теплопровідність газу Ф., теплоопір якого забезпечується процесами перекидання. Розсіювання електронів провідності при взаємодії з Ф. - основний механізм електроопору металів (Див. Метали) і напівпровідників (Див.Напівпровідники). Здатність електронів провідності випромінювати і поглинати Ф. приводить до тяжіння електронів один до одного, що при низьких температурах є причиною переходу ряду металів в надпровідний стан (див. Надпровідність, Купера ефект). Випромінювання Ф. збудженими атомами і молекулами тіл забезпечує можливість безвипромінювальних електронних переходів (див. Релаксація). В релаксаційних процесах в твердих тілах Ф. зазвичай служать стоком для енергії, запасеної ін. Ступенями свободи кристала, наприклад електронними. Середню енергію газу Ф. (як і ін. Квазічастинок) можна характеризувати величиною, подібній температурі звичайного газу. Однак завдяки порівняно слабкому зв'язку Ф. з ін. Квазічастинками фононний (або гратчасту) температура може відрізнятися від температури ін. Квазічастинок (електронів провідності, магнонов, екситонів). В аморфних (склоподібних) тілах поняття Ф. вдається ввести тільки для довгохвильових акустичних коливань, мало чутливих до взаємного розташування атомів. Ф. називаються також елементарні збудження в сверхтекучем гелії (Див. Гелій) , описують коливальний рух квантової рідини (див. Надтекучість). Літ. : Займан Дж., Електрони і фонони, пер. з англ. , М., 1962; Косевич А. М., Основи механіки кристалічної решітки, М., 1972; Рейсленд Дж., Фізика фононів, пров. з англ. , М., 1975. М. І. Каганов. Велика радянська енциклопедія. - М.: Радянська енциклопедія. 1969-1978.