2021-2022学年高二物理竞赛课件：晶体的状态方程.pptx

晶体的状态方程晶体的状态方程状态方程状态方程体积随温度的变化体积随温度的变化定性分析定性分析如果势能曲线对原子的平衡位如果势能曲线对原子的平衡位置对称置对称平均位置将和振幅的大小无平均位置将和振幅的大小无关。关。热振动的两原子间的距离将热振动的两原子间的距离将和温度无关。和温度无关。实际两原子的互作用势能曲线并不是严格的抛物线，实际两原子的互作用势能曲线并不是严格的抛物线，平衡位置左边陡，右边平滑，当原子振动后，随振幅平衡位置左边陡，右边平滑，当原子振动后，随振幅（总能量）的增加平均位置向右移动。（总能量）的增加平均位置向右移动。非简谐作用部分使势能相对平衡位置不对称。非简谐作用部分使势能相对平衡位置不对称。原子在振动时引起一定的相互排斥，引起热膨胀现象。原子在振动时引起一定的相互排斥，引起热膨胀现象。定量分析定量分析格林艾森定律，固体热膨胀系数与热容成正比格林艾森定律，固体热膨胀系数与热容成正比声子与声子碰撞声子与声子碰撞非简谐效应使格波间不再完全独立非简谐效应使格波间不再完全独立。格波间的相互作用可表格波间的相互作用可表示成声子与声子间的相互碰撞示成声子与声子间的相互碰撞。声子相互碰撞过程遵守能量守恒和准动量声子相互碰撞过程遵守能量守恒和准动量守恒：守恒：声子与声子碰撞声子与声子碰撞(1)(1)正常过程（正常过程（Normal process)Normal process)波矢波矢q q1 1、q q2 2较小，合成较小，合成q q3 3仍在第一布里渊区范围内。这种作用称为正仍在第一布里渊区范围内。这种作用称为正常过程，总能量和总波矢没有改变，只是把两个声子的能量和动量传常过程，总能量和总波矢没有改变，只是把两个声子的能量和动量传递给第三个声子，净的热能流并不由于碰撞而减小，方向也不发生偏递给第三个声子，净的热能流并不由于碰撞而减小，方向也不发生偏转。转。如果所有声子的碰撞都属于这种类型，则晶体的热导率将为无穷如果所有声子的碰撞都属于这种类型，则晶体的热导率将为无穷大，热阻为零。即正常过程对建立声子的热平衡起作用，对热阻大，热阻为零。即正常过程对建立声子的热平衡起作用，对热阻无贡献。无贡献。（2 2）倒逆过程（倒逆过程（Umklapp process)Umklapp process)q q1 1+q+q2 2超过第一布里渊区，由于晶格振动的波矢超过第一布里渊区，由于晶格振动的波矢q q具有周期性，波矢具有周期性，波矢q q与与q+Gq+Gh h描述的晶格振动状态一样。可将这个新描述的晶格振动状态一样。可将这个新波矢加上倒格矢移到第一布里渊区。波矢加上倒格矢移到第一布里渊区。这种过程称为倒逆过程，表示一种大角度的散射，声子的这种过程称为倒逆过程，表示一种大角度的散射，声子的运动方向有很大的改变，其作用使声子的平均自由程减小，运动方向有很大的改变，其作用使声子的平均自由程减小，所以倒逆过程会产生热阻。所以倒逆过程会产生热阻。2 2 2 2 热传导热传导给定材料样品的两端处在两个不同温度给定材料样品的两端处在两个不同温度T T T T1 1 1 1、T T T T2 2 2 2T1T2热流沿温度梯度反方向从较热一端流向较冷的一端。能流密热流沿温度梯度反方向从较热一端流向较冷的一端。能流密度与温度梯度成正比度与温度梯度成正比:热传导：电子传导热传导：电子传导(金属金属)，声子传导，声子传导(绝缘体绝缘体)讨论由于声子引起热传输，可作如下考虑：讨论由于声子引起热传输，可作如下考虑：热传导热传导左端较热，原子的运动比右端的原子更剧烈，左边的声子浓度较大，左端较热，原子的运动比右端的原子更剧烈，左边的声子浓度较大，右边声子浓度较小。声子气体非均匀，声子从左向右流动而携带热右边声子浓度较小。声子气体非均匀，声子从左向右流动而携带热能沿温度梯度的能沿温度梯度的反方向扩散下去。反方向扩散下去。把这些声子设想为声子气，利用气体分子运动论的概念。把这些声子设想为声子气，利用气体分子运动论的概念。三种机制：三种机制：（1 1 1 1）声子之间的碰撞）声子之间的碰撞声子遇到晶体中的另一个声子时，由于非简谐相互作用而声子遇到晶体中的另一个声子时，由于非简谐相互作用而彼此散射，高温时声子彼此散射，高温时声子声子碰撞变得特别重要。声子碰撞变得特别重要。（2 2）声子和晶体中的缺陷碰撞）声子和晶体中的缺陷碰撞晶体的不完整性，杂质和缺陷也散射声子，它们部分地破坏晶体的不完整性，杂质和缺陷也散射声子，它们部分地破坏了理想的周期性。质量差别和杂质密度越大，散射越强，了理想的周期性。质量差别和杂质密度越大，散射越强，l l l l越越短。短。（3 3）声子和样品的外部边界发生碰撞）声子和样品的外部边界发生碰撞在很低温度下，（在很低温度下，（1 1 1 1）、（）、（2 2 2 2）的碰撞变得无效。）的碰撞变得无效。仅有少数声子存在。仅有少数声子存在。低温下所激发的声子是长波长声子，这些声子不能被大小比波长小低温下所激发的声子是长波长声子，这些声子不能被大小比波长小得多的物体如杂质有效地散射。得多的物体如杂质有效地散射。低温区域，基本的散射机制是样品的外部边界。它引起所谓大小低温区域，基本的散射机制是样品的外部边界。它引起所谓大小或几何效应，因为激发的声子波长非常长，与样品的大小可比拟，或几何效应，因为激发的声子波长非常长，与样品的大小可比拟，上述机制变得有效，上述机制变得有效，l l l l=L L L L与温度无关，与温度无关，在低温，热导率由热容决定在低温，热导率由热容决定在高温，热导率决定于在高温，热导率决定于l l l l