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什么是声子?

【山叔的回答(48票)】:

俺科研做的就是声子,所以来答一发吧. 简单得说: 声子(Phonon)就是周期性晶格震动量子化的最小单位.

固体可以看作质点-弹簧连起来的周期性结构.

用一维晶格比较简单. 如果采用简谐振动的近似,那么固体到能量就可以写成:

其中i,j是原子序号,

是基态能量. 这个矩阵

就是简谐力常数矩阵. 由于牛顿第三定律,矩阵

是一个对称矩阵,因此可以对角化成矩阵

那么令Q=Pu, 就可以把不同的震动的耦合化作单独的简谐振子了. Q称作简正坐标.

因此每一个简谐振子(simple harmonic oscillator)的运动可以有薛定谔方程描述:

其中哈密顿量

这样一来晶格振动的能量就是量子化的,解方程过程可以参见wiki: Quantum harmonic oscillator, 这里仅仅给出结论,能级分布为:

能量的最小单位就是是

,这个就是所谓的声子.

因此利用声子图像, 晶格振动就可以理解为由这些"自由"声子组成的气体,只不过声子不服从经典统计,它服从Bose-Einstein分布. 这里自由打上引号是因为我们忽略了高阶作用项.

声子这个东西是准粒子, 离开了晶格不可能单独存在, 它是描述晶格震动的一个图像. 因为原子之间的结合是电磁力,所以有观点认为电子是光子在晶体中的衍生产物. 声子具有准动量, 它不代表固体本身在移动,它只是表示格波的传播方向.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

这里扯一下简谐近似的缺陷. 固体中热量的传递就是靠晶格震动. 温度高的地方, 原子震动剧烈,然后将能量传递给振动缓慢的原子(温度低的地方). 在声子图像中理解就是在存在温度梯度的时候,声子气体的密度分布是不均匀的,然后声子作为能量载体向温度低的地方运动. 声子到定向运动就形成了热流. 而分布不均是靠着碰撞才能够使得分布趋于平均. 然而在简谐近似下, 声子之间并不存在相互作用. 自由气体的热导率是

其中c是热容,v是群速度,

就是两次碰撞之间的时间(relaxation time). 不相互碰撞就是说 relaxation time趋向无穷大, 因此会导致晶体热导率的发散. 在考虑了非谐作用的时候, 热导率才会收敛, 之后就属于传热的内容了, 考虑题主只是问定义,就不展开鸟.

【keydai的回答(12票)】:

题主是学固体物理学还是只是想简单了解一下?

这算是固体物理里面一个比较简单的概念了:一个晶体中原子按照一定规律排列,但是这些原子并不是静止不动的,他们会在其平衡位置处不断震动,并形成简谐波(需要做近似处理),简谐波是有能量的,根据量子理论,能量必须是量子化的。这种量子化的波的最小单位就是声子。

简单说,声子就是激发的量子,属于波色子,用来描述晶格的简谐振动。

【菲比伦的回答(2票)】:

振动模式

【Felix的回答(2票)】:

格波的量子又名一种振动模,晶格振动交换能量的单位,╮(╯▽╰)╭原谅我打不出那个符号,只好写出来,电子或光子与晶格振动相互作用,以那个符号?声子的能量为单位,可以说是吸收或发射了一个声子,声子不是真实的粒子(⊙o⊙)哦

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