晶格振动与声子

声速

把耳朵贴在一根长长的铁栏杆上,让朋友敲一下远端:你出奇地早就听到了那一下叩击,远在它的回声经由空气传到你之前。这迅捷的抵达,就是声音在金属里的速度——一道振动从一个原子飞奔到下一个原子、穿过固体有多快。

当一个原子被推动时,富有弹性的键会一把拽动它的邻居,扰动便作为一道行进的波,沿着这条线一路传递下去。有两样东西决定它的步速。更硬的键把邻居拽进运动得更快,于是速度升高;更重的原子动起来更迟钝,于是速度降低。所以声速随硬度而升、随质量而降——这就是为什么声音穿过又硬又轻的钢,比穿过空气快好几倍,而穿过钻石还要更快。

声速之所以重要,是因为它在长波长附近决定了声学支的斜率,并直接喂进固体如何导热里去。一个常见的意外:声音在固体和液体里远比在气体里快,这和许多人猜的恰恰相反。紧密键合的原子,把消息传递下去要比气体里那些松散、稀疏的分子迅速得多。

在空气里,声音以每秒约 340 米慢悠悠地走着;在钢里,它却以每秒约 5000 米的速度飞驰。这正是为什么在老电影里,人物会把耳朵贴在火车轨道上,远在声音经由空气传来之前,就听见逼近的火车头。

声音穿过钢,大约是穿过空气的十五倍快。

一块固体其实有不止一个声速:一个较快的,对应沿传播方向推挤的波;一个较慢的,对应横向剪切的波。你平常听人引用的那个单一「声速」,是一个方便的平均值。

又称
sound velocity声波速度