8.2 Понятие о квантовой теории теплоёмкости Эйнштейна и Дебая

Эйнштейн рассматривал кристалл как систему из N атомов, каждый из которых является квантовым гармоническим осциллятором (осциллятор - это физическая система, совершающая колебания). Колебания всех атомов происходят независимо друг от друга с одинаковой частотой . Средняя энергия Е, приходящая на одну степень свободы атома - гармонического квантового осциллятора:

. (5)

Внутренняя энергия моля твёрдого тела U = 3N_A­E = ,

отсюда молярная теплоёмкость твёрдого тела

. (6)

Этот результат качественно описывает зависимость С от Т, однако в области низких температур возникают расхождения с экспериментально полученными зависимостями С от Т.

Дебай развил теорию Эйнштейна. Он учёл, что:

1. колебания атомов в кристаллической решётке не являются независимыми и

2) основной вклад в энергию тепловых колебаний кристалла при низких температурах вносят колебания низких частот.

Таким образом, тепловое возбуждение твёрдого тела Дебай описал в виде упругих (звуковых) волн, распространяющихся в кристалле. Упругие волны в кристалле имеют квантовые свойства, проявляющиеся в том, что существует наименьшая порция - квант энергии волны с данной частотой . Упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы, обладающие энергией Е = h. Фонон есть квант энергии звуковой (упругой) волны. Фононы являются квазичастицами, ведущими себя подобно микрочастицам. Заметим, что квазичастицы, в частности, фононы, не могут возникать и распространяться в вакууме, они существуют только в среде. Таким образом, квантование упругих волн привело к представлениям о фононах подобно тому, как ранее квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах.

Как указывалось в предыдущей лекции, фононы относятся к классу бозонов. Система бозонов описывается распределением Бозе-Эйнштейна (7.5). Для фононов  = 0 и n = , поэтому эта функция входила в формулы (5) и (6) данной лекции, с учётом того, что Е = h.

Обозначим через dn число фононов с частотой в интервале от  до +d, тогда внутренняя энергия кристалла (вывод опускается)

, (7)

где _макс = - максимальная частота фононов, N - число атомов в кристалле с объёмом V, v - скорость звука в кристалле, h, k - постоянные Планка и Больцмана.

При вычислении U вводится характеристическая температура Дебая Т_D = h_макс/k и рассматриваются 2 предельных случая:

1.Высокие температуры Т>>T_D (или kT>>h_макс). При этом и. Для одного моля N = N_A и молярная

теплоёмкость С = dU/dT = 3N_Ak = 3R, т. е. соответствует закону Дюлонга и Пти.

2.Низкие температуры T<<T_D . В этом случае при вычислении интеграла вводится новая переменная х = h/(kT) и верхний предел заменяется на :

. (8)

При выводе этой формулы было учтено, что интеграл равен . Молярная теплоёмкость

С = dU/dT = , (9)

т. е. пропорциональна , что подтверждается на опыте. Таким образом, квантовая теория теплоёмкости Эйнштейна и Дебая объяснила теплоёмкость твёрдых тел.