固体物理：3-6晶格热容的量子理论

体系规定：
N个原子组成，共有3N个晶格振动模。
Ⅱ. Debye模型
(一)Debye模型的理论计算
1、频率分布函数g(ω)及gD(ω) ； 2、晶格平均能量； 3、晶格比热容CV。
(二)Debye模型的讨论
1、高温情况； 2、低温情况； 3、评价。
0
(e kBT 1)2
令 0
kB
E (称爱因斯坦温度），则
0
kBT
E
T
,
CV
3NkB
E
T
2
E
eT
E
(e T 1)2
Einstein模型的讨论
CV
3NkB
E
T
2
E
eT
E
(e T 1)2
（１）高温情况（Ｔ>>θE):
E
e 2T
1 E
2T
E
eT
E
(e T 1)2
E
(e 2T
1
E
e 2T
dE j (T dT
)
)V
可见， j CV j CV
但是，对于具体晶体计算出3N个简正频率往往是十
分复杂的。在一般讨论时常采用这样两个模型：爱因斯坦 (Einstein)模型和德拜(p.Debye)模型。
二、计算晶格热容CV的理论模型
Ⅰ. Einstein模型
模型要点：
（1）认为晶体中所有原子都以相同的频率振动，设 为ω0，即忽略了色散关系的存在。 （2）晶格振动能量是量子化的。
９％以上 说明，要在甚低温下使理论与 实验相符，应主要考虑长声学 格波的贡献。
格波的振动能与频率的关系曲线
Ⅱ. P.Debye模型
模型要点：
（1）用连续介质中的弹性波替代格波，即以弹性波 的色散关系ω(q)=Cq替代晶格格波的色散关系ω (q); （2）认为晶体中只存在三支弹性波，二支横波和一 支纵波，其色散关系分别为： ωt(q)=Ctq和ωl(q)=Clq。
j
j
e j / kBT
1
j
(
j )2 e kBT
CVj
(
dE j (T dT
)
)V
kB
kBT
j
(e kBT 1)2
（3）晶格总热容
设晶体中包括N个原子，共有3N个简谐振动模式，则
E(T )
3N
j 3N
E j (T )
CV CV j
j
其中E
j
(T
)
1 2
j
e j
j
1
CVj
(
关的常2 数。这条规律在高温时，与实验符合得 很好，但在低温时，热容不再保持为常数，而
1
是随T下降而很快趋于0。如图“低温下晶格比
热下降0 0 ”所示。 100
200
300
T(K)
低温下晶格比热下降
为了解决这一矛盾，爱因斯坦发展了普朗克量 子假说，第一次提出了量子热容量理论。
量子热容理论
（1）晶体平均能量E
固体热容主要来自两部分贡献
一是来源于晶格热振动，称为晶格热容； 是固体热容的主要贡献，是本节的主要讨 论内容；
一是来源于电子热运动，称电子热容； 一般贡献很小，除非在很低温度情况下。
求解CV的一般方法
固体中的热容一般指定容比热容CV， 在热力学中，
CV
(
E T
)V
其中，E是指固体的平均内能。
第一步：写出 E 的表达式； 第二步：代入公式计算CV。
E
eT
0
结论：
(1)T趋近于0时的 理论结果与实际 符合较好；
(2)T处于低温段 时，实验值与理 论不符；
实验结论：
CV（低温）～T3
Einstein模型的评价
前提假设过于简单
Einstein把固体中各原子的振动看成是相互独立的， 因而体系的3N个振动 频率是相同的。实际上，
（1）固体中原子之间存 （2）晶格振动产生
◆在室温和更高的温度下，几乎全部单原子固
体的热容接近3NkB，即杜隆—珀替定律； ◆在低温情况下，固体比热容与T3成比例，
渐趋于零。
按照热力学定律,晶体的比热容：
E
CV
( T
)V
按与温度的关系，内能E由两部分构成：一部分 内能与温度无关，另一部分内能与温度有关．绝 缘体与温度有关的内能就是晶格振动能量．对于 金属，与温度有关的内能由两部分构成：一部分 是晶格振动能，另一部分是价电子的热动能．
在着很强的相互作用，一 的格波频率值是不完
个原子不可能孤立地振动， 全相同的，而是有一
而不牵连邻近原子。
定的分布情况。
按照爱因斯坦温度定义可估计出爱因斯坦频率：
红外光频率
频率 为的格波地平均热振动能：
Debye模型在处理晶格振动时考虑到 了频率分布问题，即对1晶、格频率采越取高一，其个热很振简动能越小 单的近似模型（把晶格2当、作当温弹度性很介低时质，来低处频格波的 理的），得到近似的频振率动分能布占整函个数晶。格振动能的９
)2
( E
2T
1
E )2
2T
( T
E
)2
所以， CV 3Nk B
Einstein模型的讨论
（2）低温情况（Ｔ<<θE):
CV
3NkB
E T
2
wk.baidu.com
E
eT
E
(e T 1)2
E
因为: e T 1
所以, CV
3NkB
( E
T
)2
e
E T
尤其是 : T
0时,
e
E T
0;
则：CV
3NkB
(
E
T
)2
杜隆——珀替定律
根据经典统计理论的能量均分定理，
每个简谐振动的平均能量为kBT，kB是玻
耳兹曼常数。设体系有N个原子，则有 3N个简谐振动模式，则总的平均能量为：
E 3Nk BT
则晶格热容为：
CV
E ( T )V
3Nk B
低温下晶格比热下降
6
5
CV 3Nk B
4
Cp(J/mol.K)
表明3 ：晶格热容是一个与温度和材料性质无
体系规定：
N个原子组成的三维晶体，共有3N个频率为ω0的振动。
Einstein模型的计算
(
j
)2
j
e kBT
(
0
)
2
e
0 kBT
CVj
(
dE j (T dT
)
)V
kB
kBT
j
kB
kBT
0
(e kBT 1)2
(e kBT 1)2
CV
3N
CVj
j
(
0
0 )2 e kBT
3Nk B
k BT
§3-6晶格热容的量子理论
Quantum theory of lattice thermal capacity
一、晶格热容理论（ CV）； 二、晶格热容CV计算模型；
–Ⅰ. 爱因斯坦(Einstein)模型； –Ⅱ. 德拜(P.Debye)模型。
一、晶格热容理论（CV）
固体的热容量是原子振动在宏观性质 上的一个最直接的表现。实验表明：
E
U
3N j 1
(n j
1 2
)
j
（1）U表示原子静止在平衡位置时的晶体能量； （2）后一项是晶格振动能量，其中nj是一个振动 模式的平均声子数。
量子热容理论
（2）一个简谐振动（频率为ωj）对CV的贡献
简谐振动的能量本征值为：
Ej
(nj
1 2
)
j
1
ni e i / kBT 1
E
j (T )
1 2