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什麽是聲子?

2014-03-11知識

不知道有沒有人和我一樣,是在統計物理中學習固體熱容的德拜理論時第一次接觸這個概念。

國內教材基本上都是先說明固體振動可以看作一個諧振子模型,然後透過線性變化,把原本帶有耦合項的哈密頓量用簡正座標的形式表示出來,從而得到了3N個獨立的諧振子。

然後就說可以等效為聲子,聲子的準動量和能量由德布羅意關系給出。求出配分函數以後又說得知道頻譜才能具體計算,Einstein的模型是3N個諧振子的本征頻率是一樣的,而Dybe則是認為本征頻率可以連續變化,並引入了截止頻率 \omega D,利用態密度的積分=3N這個關系來定出頻譜。

我個人感覺國內的教材把諧振子模型和聲子模型混在一起處理實在不好理解,尤其令人迷惑的操作是沒有很形象的建立聲子和諧振子之間的對應關系。困惑許久,直到看到Pathria的書P198的描述,洞然開朗:

第一種推導方法中的「本征態ns上的振子具有能量(ns+1/2)h ws /2 \pi "對應於在第二種推導方法中「由ns個光子占據能階hws/2 \pi 」

「一個振子的平均能量 \bar{\varepsilon} 」對應於「相應的能階的平均占有數」,如此等等

可以想見,所謂的頻譜對應的正是態密度這個概念。於是聲子這種準粒子的物理圖景就很直觀了。固體裏3N個諧振子就是單個聲子可能具有的量子態。