Возбуждения в твердом теле

В предыдущих главах рассматривались элементарные возбуждения в твердых телах, связанные с коллективными движениями нейтральных атомов, молекул или тяжелых ионов. Квантами этих элементарных возбуждений являются фононы. Рассмотрим теперь элементарные возбуждения, связанные с коллективным движением электронов относительно тяжелых ионов в твердых телах. Эти элементарные возбуждения обусловлены кулоновским взаимодействием между электронами п положительными ионами. Им соответствуют продольные волны, которые получили название плазменных волн. Кванты плазменных волн называют плазмонами. [c.90]

Инертные газы послужили Френкелю [305, 306] первой моделью для построения теории бестоковых коллективных возбуждений в твердых телах (теория экситонов). Однако оказалось, что первоначальные идеи Френкеля применимы к кристаллам инертных газов с очень большими оговорками. В молекулярных кристаллах ароматических соединений первые электронные возбуждения (3 — 4 эв) соответствуют квантовым переходам сравнительно хорошо изолированных я-электронов молекул. В атомах же инертных газов первые электронные возбуждения (8,44 эв — в ксеноне, 10,03 56 —в криптоне, 11,61 5в —в аргоне и 1,1 эв в неоне) соответствуют квантовым переходам самых внешних электронов. При этих возбуждениях электроны переходят, соответственно, в бр-, 5р-, 4р- н Зр-атомные состояния со средним радиусом, значительно превышающим радиус основного состояния атома. В связи с этим межатомное перекрывание возбужденных состояний в кристалле весьма велико. Приближение Гайтлер — [c.347]

Для того чтобы Б дальнейшем иметь возможность преобразовать (классические) члены взаимодействия в операторах взаимодействия фотонов с элементарными возбуждениями в твердом теле, нам понадобится связь между Си и полями. После введения вектора поляризации е а (J- ) получим [c.251]

Первоначально наши представления об элементарных возбуждениях в твердых телах возникли при изучении различных частей гамильтониана (1.4), Последующий [c.19]

Хорошо известно, что движение кристаллической решетки, когда каждый атом колеблется около своего положения равновесия, можно разложить на нормальные колебания, каждое из которых обычно представляет собой волну, распространяющуюся в решетке. С этой точки зрения рассматриваемая система представляет собой просто совокупность гармонических осцилляторов, причем каждому нормальному колебанию соответствует один осциллятор. Если подчинить канонические переменные квантовым правилам перестановки, то получится хорошо известный энергетический спектр системы гармонических осцилляторов. Эти элементарные порции возбуждения решетки называются фононами. Фононы подчиняются статистике Бозе и представляют собой, по-видимому, наипростейший тип элементарных возбуждений в твердых телах. [c.20]

Характеристики спектра элементарных возбуждений в твердом теле можно непосредственно измерять с помощью различного рода внешних воздействий ( зондов ). Идеальный случай составляет зонд , который лишь очень слабо взаимодействует с рассматриваемым твердым телом, так что отклик системы на воздействие может быть полностью выражен через характеристики элементарных возбуждений в отсутствие зонда . Огромные успехи в деле очистки материалов позволили экспериментаторам применять все более и более сложные воздействия, зачастую включающие как статические, так и переменные электрические и магнитные поля. Для такого рода измерений требуется высокая степень чистоты материала, так как даже весьма незначительное количество примеси может полностью замаскировать исследуемые тонкие резонансные эффекты. Один из наиболее важных успехов, достигнутых в результате развития методики измерений и очистки материалов, состоит в полу [c.26]

Рис. 77. Структура спектров колебательных возбуждений в твердом теле, в каждой ячейке кристаллической решетки которого находятся два атома шесть степеней свободы, из которых три трансляционных дают три ветви акустических колебаний

В твердом теле атомы при любой температуре, включая U К, непрерывно совершают колебания около их среднего положения равновесия. При небольших амплитудах такие колеба ния можно считать гармоническими. С повышением температуры амплитуды и энергии этих колебаний увеличиваются. Так как атомы в твердом теле сильно связаны друг с другом, то возбуждение колебаний одного из атомов передается ближайшим атомам, которые, в свою очередь, передают это возбуждение своим соседям и т. д. Этот процесс подобен процессу распространения звуковых волн в твердом теле. Все возможные колебания сильно связанных между собой атомов можно представить как совокупность взаимодействующих упругих волн различной длины, распространяющихся по всему объему кристалла. Так как твердое тело ограничено по размерам, то при данной температуре устанавливается стационарное состояние колебаний, представляющее собой суперпозицию стоячих волн (поверхность твердого тела для звуковых волн является узловой). [c.141]

Процессы, происходящие в твердых телах, связанные с колебаниями атомов кристаллической решетки, выглядят особенно просто, если обратиться к одному из самых фундаментальных обобщений квантовой механики. В основе этого обобщения лежит идея французского физика Луи де Бройля о том, что каждой волне с частотой со и волновым вектором к можно сопоставить частицу с энергией E—Htd и импульсом p = ftk. Так, световые (электромагнитные) волны можно рассматривать как квантовые осцилляторы излучения или считать, что они состоят и частиц — квантов, называемых фотонами. Каждый фотон имеет энергию Й.0). Аналогично, если обратиться к формуле (5.70) для энергии квантового осциллятора, то звуковую волну с волновым вектором к и поляризацией s можно рассматривать как совокупность ге(к, s) квантов с энергией Йсо(к, s) каждый и плюс энергия основного состояния /2Й<в(к, s). Эти кванты (или частицы звука) звуковой волны называют фононами. Величина ft. o(k, ь), очевидно, представляет собой наименьшую порцию энергии возбуждения над основным уровнем АЛ (к, s). Так как фонон несет наименьшую энергию, его рассматривают как элементарное возбуждение. Сложное возбуждение есть просто возбуждение, содержащее много фононов. Коллективные движения атомов в кристалле представляют собой звуковые волны, а соответствующие им возбуждения — кванты звука, или фононы. [c.161]

Во многих случаях можно рассматривать взаимодействие фотонов с атомами и молекулами вещества, как если бы последние были свободны или по крайней мере изолированы. Однако в тех случаях, когда квантово-оптические явления происходят в твердых телах, необходимо принимать во внимание электронные и другие коллективные движения в кристалле. Этим коллективным движениям сопоставляют своеобразные кванты , называемые квазичастицами или элементарными возбуждениями. Кристалл уподобляют газу таких квазичастиц. Квантово-оптические явления в твердых телах рассматривают, исходя из взаимодействия фотонов с указанными квазичастицами. [c.129]

При небольших смещениях атомов из положения равновесия в узлах кристаллической решетки можно в первом приближении потенциальной энергии пренебречь ангармонизмом (энергия, связанная с ангармонизмом, мала). Покажем, что при этом условии в случае всестороннего сжатия и расширения (ниже макроскопического предела текучести) химический потенциал атомов металла, возбужденных деформацией, будет одинаково возрастать независимо от знака деформации (т. е. знака, приложенного извне гидростатического давления) в отличие от кинетической модели системы свободных молекул (идеального газа), где знак прира-щ,ения давления определяет направление изменения химического потенциала. Напротив, термоупругие эффекты в твердых телах связаны с ангармоническими членами в выражении потенциальной энергии взаимодействия атомов, но здесь они не рассматриваются. В литературе этому вопросу не уделено должного внимания, так как все опыты по изучению поведения твердых тел под высоким давлением относятся к деформации тела сжатием. [c.15]

Возбуждение или ионизация партнеров по столкновению не влияют на динамику рассеяния и должны учитываться лишь как первопричина потерь энергии движущейся частицы. Это допущение можно считать справедливым, если энергия, переданная электронам, мала по сравнению с изменением кинетической энергии сталкивающихся атомов (т. е. рассеяние почти упругое) либо если столкновение было скользящим. В обоих случаях взаимодействие с электронами оболочек может быть учтено отдельно, как специфический механизм диссипации энергии. Изучение атомных столкновений в газах в области энергий порядка нескольких килоэлектронвольт свидетельствует о справедливости данного допущения в этом случае энергия, переданная электронам, оказывается порядка нескольких процентов переданной кинетической энергии. Мы полагаем, что аналогичное соотношение выполняется и в случае взаимодействия атомов в твердом теле. [c.23]

Ширина спектральной линии может изменяться при процессах, ограничивающих время жизни возбужденного состояния и моделирующих случайным образом энергетические состояния. К таким процессам относятся различные виды соударений (например, соударение излучающего атома в газе с нейтральными атомами, ионами и электронами, со стенками сосуда), а также взаимодействие излучающего атома с кристаллической решеткой в твердом теле. Все эти процессы сокращают время жизни атома на данном энергетическом уровне и, согласно (14), приводят к увеличению А1 , т. е. к расширению спектральной линии. Однако и в этих случаях форма спектральной линии определяется уравнением (17), получившим название лоренцевой формы. [c.10]

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ <электронно-фононное — взаимодействие носителей заряда в твердых телах с колебаниями кристаллической решетки электрослабое—объединенная калибровочная теория электромагнитного и слабого взаимодействий) ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ фундаментальные — четыре взаимодействия, лежащие в основе всех природных процессов сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное ВОЗБУЖДЕНИЕ [—вывод системы из состояния устойчивого равновесия колебаний <—воздействие на систему, приводящее к возникновению в ней колебаний параметрическое — возбуждение колебаний путем периодического изменения некоторых параметров колебательной системы)] [c.226]

В книге последовательно развиваются основы аппарата квантовой теории поля (вторичное квантование бозонов и фермионов, методы функций Грина и функции распространения и т. д.), его приложения к рассмотрению основных элементарных возбуждений в твердом теле (электроны, фононы, экситоны), а также взаимодействий между ппдш (сверхпроводимость, поляритоиы). [c.366]

Поскольку почти всегда с /ст < У 2, то в отличие от рассмотренной ранее полной трансформации волны, падающей из твердого тела, условие (Х.62) реализуется для подавляющего большинства сочетаний жидкостей и твердых тел. Например на границе вода — лед полная трансформация продольной волны в сдвиговую при температуре 0° С осуществляется при угле падения 0 — 30° на границе вода — алюм1ший при 20° С 9 = 20,5°, и т. д. Это обстоятельство может быть использовано для возбуждения в твердом теле чисто сдвиговых волн с помощью преобразователя, излучающего в жидкость продольные волны. При этом, правда, [юэффициент отражения продольной волны всегда составляет значительную величину, поскольку в первой из формул (Х.61) почти всегда > 0 и 2t > 2 , так что рл > О (обычно 5,4 -т 0,6). [c.228]

Простейшим способом возбуждения в твердом теле ударной волны с амплитудой в несколько десятков гигапаскалей является подрыв на поверхности образца заряда химического взрывчатого вещества (ВВ). Для простоты интерпретации результатов измерений желательно иметь в образце плоскую стационарную ударную волну. Плоские ударные и детонационные волны формируются с помощью различных плосковолновых генераторов. [c.44]

Для возбуждения в твердых телах поперечных сдвиговых колебаний (которые ионоль-зуются и в ультразвуковой дефектоскопии) используют кварцевые пластинки ориентированные по оси У. В этом случае электрическое поле к такой пластинке прикладывают к ее электрической оси в пластинке будут возбуждаться сдвиговые волны Ху. Будучи приклеена к твердому телу, такая пластинка возбуждает в нем сдвиговые колебания с частотами [c.97]

С увеличением частоты возбуждения явный вид выражений для е1(км) и е2(ки) начинает сильно зависеть от конкретных свойств рассматриваемого твердого тела. Дело в том, что эти выражения определяются наиболее существенными межзонными переходами, вклад которых, в свою очередь, сильно зависит от конкретного характера соответствующих зон. Мы вскоре рассмотрим этот вопрос более подробно. Пока ж укажем только, что возмущение с частотой ш м, где м — средняя частота существенных возбуждений в твердом теле, будет в како1 то мере экранироваться, в то время как при м ш взаимодействие между электронами может привести даже к усилению рассматриваемого возмущения. [c.229]

В настоящем параграфе мы исследуем механизм возбуждения плазмонов и посмотрим, какую информацию о нем можно получить из опытов по измерению характеристических потерь энергии. Такой выбор темы связан с тем, что по причинам, выше уже обсуждавшимся, плазмоны с энергией порядка йсор представляют собой весьма общий тип элементарных возбуждений в твердых телах. Действительно, в большинстве твердых тел спектр характеристических потерь энергии при малых передачах импульса определяется в основном возбуждением плазмонов. Легко убедиться, например, что в области применимости выражений (4.38) и (4.39) правило /-сумм с точностью до членов порядка содержит только [c.240]

В книге, состоящей из двух частей, с единой точки зрения рассмотрены электронные, фононные и оптические свойства твердых тел—металлов и полупроводников. Первая часть посвящепа теории элементарных возбуждений в твердых телах квазиэлектронов, плазмонов, фононов, магнонов и экситонов. Вторая часть посвящена взаимодействиям элементарных возбуждений элект-рон-фононному, электрон-фотонному, фотом-фононному, электрон-электронному и фонон-фононному. [c.2]

Многочастичный аспект всей проблемы использует многочисленные вспомогательные математические методы. Квантовая статистика (ферми- и бозе-статистика) дает распределение по энергиям у невзаимодействующих элементарных возбуждений. Для квантовомеханических представлений оказывается удобным представление чисел заполнения (Приложение А). Для проблем, учитывающих взаимодействие, в особенности для сильно возмущенных систем, все больше привлекаются вспомогательные методы квантовой теории поля диаграммная техника, функции Грина, теория рассеяния, матрица плотности и т. д. Во вводной книге, рассчитанной на широкий круг читателей, эти современные методы не могут стоять в изложении на первом плане. Мы все же затронем и эти методы при обсуждении вопросов взаимодействия. Однако, насколько это будет возможно, мы будем пользоваться обычными методами, изложенными в курсах квантовой механики. Более подробно литература по математическим вспомогательным методам теории групп и многочастичной физики приведена в списке литературы [78—88]. Для концепции элементарных возбуждений в твердых телах рекомендуем книги Андерсон [8], Киттель [12], Пайне [16], Тейлор [19], Труды конференции [49] и статью Лундквиста в [56]. Для метода Хартри —Фока ( 3) далее рекомендуем Андерсона [8], Брауэра [9], Хауга [II] и Киттеля [12]. [c.17]

Общий план изложения состоит в том, чтобы рассмо треть элементарные возбуждения и взаимодействие между ними, так сказать, в порядке возрастающей трудности. Таким образом, мы начнем с фононов, которые во многих отношениях представляют собой наипростейшие элементарные возбуждения в твердых телах. В гл. П дается обзор основных характеристик фононов в твердых телах и кратко обсуждается дисперсионное соотношение для фононов в простых металлах. В качестве простых примеров квантовостатистического расчета в рамках модели независимых элементарных возбуждений вычисляется вклад фононов в теплоемкость тела, а также [c.28]

С классической точки зрения волна, коттэрая удовлетворяет этому дисперсионному соотношению, может иметь любую амплитуду (в пределах выполнения закона Гука). В то же время для колебаний решетки, как и для квантов электромагнитного излучения, характерен корпускулярно-волновой дуализм. Корпускулярный аспект колебаний решетки приводит к понятию фонона, и прохождение волны смещения атомов в кристалле можно рассматривать как движение одного или многих фононов. При этом каждый фонон переносит энергию Ксй, где Ь = Ь/2я= 1,0546-эрг-с Н — постоянная Планка, и импульс Ьк. Теплопроводность, рассеяние электронов и некоторые другие процессы в твердых телах связаны с возникновением и исчезновением фононов, т. е. корпускулярный аспект таких процессов- так же важен, как и волновой. Проявление дискретной (корпускулярной) природы энергии возбуждения в других явлениях зависит от того, насколько велико количество термически возбужденных фононов. [c.36]

Комбинационное рассеяние. Наряду с рассеянием без изменения частоты возбужденная световой волной квантовая система может в определенных условиях переизлучать энергию с изменением частоты. Это излучение с изменением частоты обусловливает некогерентное рассеяние света, поскольку вследствие различия частот падающего и рассеянного излучений между ними не может существовать никакого определенного фазового соотношения. Некогерентное рассеяние с изменением частоты называется комбинационным. Оно было открыто Раманом и Кришнаном в жидкостях и газах и независимо Мандельштамом и Ландсбергом в твердых телах. [c.265]

Микроскопическая теория диффузии в твердых телах, применимая и к случаю диффузии внедренных атомов но междоузлиям, была развита Френкелем [2, 3] д рамках упрощенной модели, в которой расматривается перемещение атома в заданном внешнем силовом поле, создаваемом окру5кающими атомами. В такой теории высота потенциального барьера Аи определяет ту минимальную кинетическую энергию, которую должен получить в результате теплового возбуждения от своих соседей находящийся в меяедоузлии атом, чтобы иметь возможность перейти через потенциальный барьер и заместить соседнее мен -доузлие. [c.240]

Тот факт, что рентгеновы лучи излучаются обычно не свободными атомами, а твердыми телами сказывается и в появлении тех или других рентгеновых линий при возрастании зарядового номера Z. Например, 2р-элек-троны у свободных атомов впервые появляются в нормальном состоянии у бора (Z = 5). Отсюда и линия должна была бы впервые наблюдаться у данного элемента. На самом деле в рентгеновых спектрах твердых тел линия /Сд наблюдается у бериллия (Z = 4) и даже у лития (Z = 3), что объясняется ролью химических связей в твердом теле>. В результате этих связей внешние электроны атомов возбуждаются и могут с возбужденных уровней переходить на освободившееся место в /С-оболочке. Таким образом, /С-линии у подобных элементов носят, как и коротковолновые сателлиты, полу-оптический характер. [c.322]

Смотреть страницы где упоминается термин Возбуждения в твердом теле : [c.254] [c.926] [c.63] [c.367] [c.53] [c.628] [c.417] [c.619] [c.409] [c.177] [c.10] [c.20] [c.111] [c.312] [c.197] [c.22] [c.3] [c.704] [c.301] [c.892] [c.604]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...