統計力學二:量子與臨界現象

德拜模型(Debye model)

/ duh-BYE /

為什麼固體的熱容在趨近絕對零度時會落向零,與杜隆-珀蒂的古典法則正面牴觸?晶體中的原子並非各自獨立的振子,而是一張耦合的網絡,其集體振動就是聲波。德拜模型把這些聲波量子化為聲子,並把固體幾乎完全比照黑體輻射來處理——一團量子化波的玻色氣體——從而準確算出愛因斯坦較簡單的模型所算錯的低溫熱容。

聲子是晶格振動的量子:化學勢 mu = 0 的玻色子,因其數目不守恆。德拜做了一個大膽的近似,把真實而複雜的色散關係換成線性的 omega = v_s k(聲速乘以波向量),對全部三種聲學偏振皆然,並施加一個最大頻率 omega_D——德拜頻率——其選取使得模式總數恰好等於 3N,即 N 個原子的正確自由度數目。把玻色-愛因斯坦能量對這些模式求和,便得到具有兩個著名極限的熱容:高溫時 C -> 3Nk,還原杜隆-珀蒂;低溫時 C 正比於 (T/Theta_D)^3,即著名的德拜三次方定律,其中 Theta_D = hbar omega_D/k 是德拜溫度。三次方行為之所以出現,是因為在 T = 0 附近只有長波長的聲學模式被熱激發。

德拜模型只用單一材料參數 Theta_D,便能定量解釋絕緣晶體在整個溫度範圍的熱容,而其低溫三次方定律是量子統計力學最穩固的勝利之一。兩個誠實的但書:線性色散假設只是近似,真實的聲子譜在短波長處會偏離——但三次方定律得以倖存,因為它只依賴長波長的聲學模式,而這些模式永遠是線性的。在金屬中還須加上電子項(正比於 T),故低溫熱容為 C = gamma T + A T^3。

鑽石的德拜溫度異常高,約 2200 K,因為其原子輕且鍵結剛硬,故在室溫下仍遠低於 Theta_D,其熱容遠不及杜隆-珀蒂值 3Nk。而德拜溫度約 100 K 的鉛,在室溫下已達到古典平台。

德拜溫度決定固體從量子(三次方)行為過渡到古典(杜隆-珀蒂)行為的位置。

德拜模型改進了愛因斯坦模型(後者假設所有原子以「單一」頻率振動),改用低頻時正確的線性聲學色散;這正是它給出三次方定律、而非愛因斯坦那指數上錯誤的低溫行為的原因。線性色散是僅在長波長成立的理想化。

又称
Debye theory of heat capacity德拜比熱理論