德拜熱容&德拜溫度物理意義

2021-01-18 你不學固體物理嗎

一、德拜熱容:

1.1 背景介紹

晶體熱容量包含兩部分,第一部分是晶格熱容,第二部分是電子熱容。當然,電子承擔的熱容非常小,只有在 3K 以下,金屬的熱容隨溫度的變化不再遵循德拜 律,原因是德拜模型沒有考慮金屬中的自由電子對熱容的貢獻。可見,當 T<3 K 時,金屬中自由電子氣體對金屬熱容的作用不能忽略 。而在發現電子熱容之前對晶體熱容的表達最接近的就是德拜模型了,在德拜模型之前有僅在高溫下吻合實驗值的愛因斯坦模型。

1.2 德拜模型

德拜模型最成功的地方就是:

由三維晶格模式密度的結論:

附簡單推導過程:

在頻率分布中存在一個截止頻率 ,就類似於能帶論中的費米能級,具體值可以根據對模式密度全頻率積分等於總的模式數關係給出:

其中,3N為(N個原子組成的3維晶體)總的振動模式數,則德拜熱容的數學表達:

其中, 是頻率為 的振動模對熱容的貢獻。末尾處積分可藉助 函數求得。德拜模型的思想介紹至此,對於一維、二維、三維晶體的具體德拜熱容推導已有前人給出,詳見參考文獻。

二、德拜溫度的物理意義:

德拜彈性波模型的截止頻率 關係式換算得到的溫度 稱為德拜溫度。熱容量的特徵完全由德拜溫度確定,它近似地代表:經典比熱理論適用的高溫範圍同低溫適用的低溫範圍的分界溫度。可以粗略地指示出晶格振動頻率的數量級。

即:當溫度低於德拜溫度時,聲子開始「凍結」,需要用量子理論處理問題;當溫度高於德拜溫度時,聲子基本上被全部激發,則可以用經典理論近似處理。溫度越高,用經典理論處理的誤差越小。

但是,德拜模型的缺點也在這裡,隨著低溫測量技術的發展,事實上德拜溫度:

並非是一個固定不變的值, 應是溫度的函數,例如:黃昆固體物理教材中給出的金屬銦德拜溫度隨溫度的變化。這便是模型的局限性。

如有不當,懇請指正!

參考文獻:

[1]劉丹.基於德拜模型討論晶格比熱[J].湖北教育學院學報,2007(08):10-12.

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