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什么是声子?

2014-03-11知识

不知道有没有人和我一样,是在统计物理中学习固体热容的德拜理论时第一次接触这个概念。

国内教材基本上都是先说明固体振动可以看作一个谐振子模型,然后通过线性变化,把原本带有耦合项的哈密顿量用简正坐标的形式表示出来,从而得到了3N个独立的谐振子。

然后就说可以等效为声子,声子的准动量和能量由德布罗意关系给出。求出配分函数以后又说得知道频谱才能具体计算,Einstein的模型是3N个谐振子的本征频率是一样的,而Dybe则是认为本征频率可以连续变化,并引入了截止频率 \omega D,利用态密度的积分=3N这个关系来定出频谱。

我个人感觉国内的教材把谐振子模型和声子模型混在一起处理实在不好理解,尤其令人迷惑的操作是没有很形象的建立声子和谐振子之间的对应关系。困惑许久,直到看到Pathria的书P198的描述,洞然开朗:

第一种推导方法中的「本征态ns上的振子具有能量(ns+1/2)h ws /2 \pi "对应于在第二种推导方法中「由ns个光子占据能级hws/2 \pi 」

「一个振子的平均能量 \bar{\varepsilon} 」对应于「相应的能级的平均占有数」,如此等等

可以想见,所谓的频谱对应的正是态密度这个概念。于是声子这种准粒子的物理图景就很直观了。固体里3N个谐振子就是单个声子可能具有的量子态。