非简谐项
原子间的相互作用:
之前在讨论原子间的相互作用的时候,只用到展开式的前三项,而忽略了更高次的项(非简谐项)。在这样的近似下原子是相互线性独立的谐振子,能够处理振动问题。不过在涉及到热膨胀和热传导等问题时,仅仅用到前三项是不够的。
谐振子之间独立,意味着不发生能量的交换,不能传出能量,也不能吸收能量,所以就不能解决热传导、热平衡、热辐射等问题。
热膨胀
热膨胀 压力不变的情况下,晶体的体积随着温度升高而增大的现象。
原因:分子间相互作用的非简谐项。
原子离开平衡位置的平均偏移量
如果用
如果用
所以
其中
称为膨胀系数。
热传导
- 热传导 晶体中热量由高温处流向低温处的现象。
-
热流密度 单位时间内经过单位面积的热量,记为
j 。
热流密度应当正比于温度的梯度
j=−K∇T
其中K 称为热传导系数。
温度
由于研究温度较高的情形,忽略零点能。引入平均声子数
有
微观解释:温度高的地方振动幅度大、振动模式多,可以认为有更多的声子被激发。当格波传播到低温处(同时也是声子扩散的过程),低温处的格波振动趋于和高温处相同,这样就实现了热量的传递。即,声子通过碰撞传递能量。
热流的大小,取决于声子的运动速度
在上面的模型中,设两侧的温度分别为
由B到A的声子数
净传导的热量
所以
本文主要参考Dr. Shen 固体物理课件