Tekst_lekcij_7_s

Эти результаты были получены Дебаем в 1912 г. Подчеркнем, что для твердых тел

Cp CV C .

Случай высоких температур

Рассмотрим другой предельный случай, когда T ca . При этом в выражении для F

можно воспользоваться разложением экспоненты и взять ее первый член e T 1 T , что приводит к выражению

Здесь суммирование производится по всем степеням свободы, которых в системе 3Ng ,

где g число атомов в ячейке.

Введем некоторую среднюю частоту

а теплоемкость

C Nc 3Ng ,

то есть теплоемкость твердых тел постоянна c 3g , что представляет собою закон Дюлонга и Пти. Это позволяет записать через теплоемкость выражения для F, E и S

F N 0 NcT lnT NcT ln ,

E N 0 NcT ,

S NclnT NcT ln e.

Интерполяционная модель Дебая

Реальные спектры колебаний в твердых телах очень сложны. Получение их представляет собою весьма непростую задачу теории твердых тел. Поэтому широкое применение

51

получила простая интерполяционная модель, предложенная Дебаем в 1912 г. Будем считать, что частотный спектр имеет такой же вид, как при низких частотах, но продолжается до некоторой максимальной частоты, которая определяется условием равенства полного числа колебаний числу степеней свободы

откуда

6 2Ng 13m c .

V

А распределение частот

Введем температуру Дебая m . Тогда

3 T

F N 0 9NgT T z2 ln 1 e z dz .

0

При обращении к таким интегралам удобно провести интегрирование по частям. Тогда получаем

Для работы с рассматриваемой моделью удобно ввести функция Дебая

3 x z3dz D x x3 0 ez 1,

тогда

F N 0 NgT 3ln 1 e T D T .

При этом выражение для энтропии, например, принимает вид

52

3Ng ln 1 e T 4NgD T .

Откуда видно, что внутренняя энергия состоит и «холодной» и «тепловой» составляющих,

причем в тепловой части зависимость от параметров задачи входит только через функцию

Пользуясь свойствами функции Дебая, можно показать, что при низких температурах,

когда T , то есть x 1, функция она принимает вид D x 45x3 . Тогда получаем, что внутренняя энергия

Как и следовало ожидать, эти выражения совпадают с ранее полученными соотношениями, полученными непосредственно из статистического рассмотрения низкотемпературных систем.

Определенный интерес представляет выражение для давления, так как оно

непосредственно необходимо для теоретического описания динамических процессов.

Получим его, обращаясь к свободной энергии F , как термодинамическому потенциалу в переменных T,V :

Пользуясь ранее полученным выражением для производной функции Дебая, получаем

53

имея ввиду, что эти функции зависят только от V . Уравнения состояния, представленное

втаком виде, часто называют уравнением состояния Ми-Грюнайзена, а величину

d ln ,

d lnV

называют коэффициентом Грюнайзена. Его часто используют для интерполяции

экспериментальных данных. В частности, для ряда веществ приT можно считать

коэффициент постоянным. В некоторых случаях можно применять степенную

зависимость коэффициента от объема, типа 0 VV0 .

Рассмотрим дебаевское приближение для систем различной размерности.

Для начала определим функцию плотности фононных частот g(d ) ( ) .

Из-за -функции вклад в интеграл дадут только пересечения с ветвями.

54

Т.о. мы получили нормировочный интеграл и можем обоснованно называть g(d ) ( )

функцией плотности. g(d ) ( ) показывает, сколько разрешенных частот попадает в промежуток d (для конкретного кристалла).

В то же время g(d ) ( ) есть вероятность обнаружить в спектре частот частоту данной величины.

Рассмотрим для определенности одноатомный кристалл. ( то есть будем считать g 1 ??).

В дебаевском приближении точная функция фононных частот перейдет в более простое выражение:

55

Функция плотности должна удовлетворять условию нормировки

D

d gD(d ) ( ) 1

0

подставляем в gD(d ) ( ) и находим D через параметры кристалла

(проделать самостоятельно)

функции плотности ( и верхним пределом интегрирования)

56

Лекция 10.

Температурное поведение среднего квадрата смещения любого атома в кристалле. Неустойчивость 1- и 2-х мерных кристаллов.

Рассмотрим теперь величину среднего квадрата смещения атома.

j

Может оказаться, что для некоторых частот l 0 (т.е. данная частота присутствует в спектре, но атомы с ней практически не колеблются)

58