晶格振动与声子

晶格振动

想象固体里的原子,并不是被牢牢粘死的小球,而像挤在人群里的人,每个人都用富有弹性的手臂和邻居相连。谁也走不开,可每个人都在自己的位置上不停地推挤、轻轻摇晃。原子围绕它们在晶体中固定位置的这种无休止颤动,就是我们所说的晶格振动。

原子端坐在晶格规则的格点上,被彼此之间的力按在那里。由于这些力就像一根根细小的弹簧,一个被推动的原子会被拉回原位,冲过头,于是来回振荡。又因为每个原子都和邻居相连,一次推动并不会停在原地:它会作为一道摇摆的波向外传开,在整块固体里荡漾。热说到底就是储存在所有这些推挤运动里的能量,所以越热的晶体振动得越剧烈。

晶格振动之所以重要,是因为它把热和声音带过固体,也因为它决定了把材料加热升温要花多少能量。一个常见的误解是,「冻得结实」就意味着完全静止:其实哪怕一块冰,也充满了振动,原子从不会彻底停下,即便在最低的温度下也是如此。

敲一下长金属棒的一端,你在另一端听到的那声「咔」,就是一道作为声音飞奔穿过金属的晶格振动。原子并没有从棒的一端跑到另一端——每个原子只是抖动一下,把扰动传给邻居,就像一句悄悄话沿着一排人传下去。

声音穿过固体,是晶格振动在传播,而不是原子从一处搬到另一处。

晶格振动指的是原子日常的运动。当我们用量子力学来描述它时,能量是以一份份离散的小包出现的,那些小包叫作声子——但底下那幅相连原子彼此推挤的图景,是同一回事。

又称
thermal vibration of the crystal lattice晶格热振动