晶格振動與聲子

愛因斯坦模型

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假設你想對固體如何儲熱作一個最簡單的猜測。你或許會假裝每個原子都是一個掛在自己那根小彈簧上的小質量,在原地彈跳,而且它們恰好都以完全相同的頻率彈跳。這個大膽的簡化,就是愛因斯坦模型。

阿爾伯特·愛因斯坦在 1907 年提出它,作為量子思想用到固體上最早的一次應用。關鍵的一步,是堅持每個原子振子只能以整份的小包來盛放能量,而不能想要多少就多少。在高溫下,到處都有充足的能量可供分配,模型與古老的經典規則相符;可隨著固體變冷,那些小包變得太貴、激發不起,原子便安靜下來,熱容隨之下降——這第一次解釋了固體為何在冷的時候儲熱更少。

愛因斯坦模型作為一座里程碑而重要:它表明量子能量小包並非只是光的怪癖,也同樣主宰著尋常物質。它誠實的缺陷,是假設每個原子都共用同一個頻率。真實的晶體有一整片頻率,所以在極低溫下,這個模型衰減得太快,而德拜後來那更細緻的清點,修正的恰恰就是這一點。

當愛因斯坦把他的公式與鑽石測得的熱容畫在一起對比時,那種吻合令人震動:曲線隨著晶體變冷而朝零下沉,數據也正是如此。這是量子思想第一次被證明主宰著一塊固體物質的熱。

愛因斯坦 1907 年對鑽石的擬合:量子小包解釋了冷固體縮小的熱容。

儘管愛因斯坦模型對聲波類的聲學振動太過粗糙,它那「單一頻率」的圖景,其實是頻率近乎固定的光學支的一個不錯的替身,所以它至今仍有用武之地。

又稱
Einstein theory of specific heat爱因斯坦比热模型