Значение слова фонон

квазичастица, представляющая собой квант упругих колебаний среды. Понятие фонон играет важную роль в описании свойств твердого тела: кристаллическая решетка по тепловым свойствам аналогична газу фонон.

(от греч. phone √ звук), квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла благодаря взаимодействию между ними распространяются по кристаллу в виде волн, каждую из которых можно охарактеризовать квазиволновым вектором k и частотой w, зависящей от k: w = wn(k), где индекс n = 1,2,..., 3 r (r √ число атомов в элементарной ячейке кристалла) обозначает тип колебания (см. Колебания кристаллической решётки ). Согласно законам квантовой механики, колебательная энергия атомов кристалла может принимать значения, равные, где E0 √ энергия основного состояния, ═√ Планка постоянная . Каждой волне можно поставить в соответствие квазичастицу √ Ф. Энергия Ф. равна: , квазиимпульс р = k. Число nкnследует трактовать как число Ф. Различают акустический и оптический Ф.; для акустического Ф. при р ╝ 0 E = sp, где s √ скорость звука; для оптического Ф. при р ╝ 0 Emin═¹ 0 (у простых кристаллов с r = 1 оптического Ф. нет).

Ф. взаимодействуют друг с другом, с др. квазичастицами ( электронами проводимости , магнонами и др.) и со статическими дефектами кристалла (с вакансиями , дислокациями , с границами кристаллитов, поверхностью образца, с чужеродными включениями). При столкновениях Ф. выполняются законы сохранения энергии и квазиимпульса. Последний является более общим, чем закон сохранения импульса (см. Сохранения законы ), т.к. суммарный квазиимпульс сталкивающихся квазичастиц, в частности Ф., может изменяться на величину 2pb, где b √ вектор обратной решётки. Такие столкновения называются процессами переброса, в отличие от нормальных столкновений (b = 0). Возможность процесса переброса √ следствие периодичности в расположении атомов кристалла.

Среднее число Ф. ═определяется формулой Планка:

где T √ температура, k √ Больцмана постоянная. Эта формула совпадает с распределением частиц газа, подчиняющихся статистике Бозе √ Эйнштейна, когда химический потенциал равен нулю (см. Статистическая физика ). Равенство нулю химического потенциала означает, что число Nф > Ф. в кристалле не сохраняется, а зависит от температуры. Для всех твёрдых тел Nф ~ T3 при Т ╝ 0 и Nф ~ Т при Т >> Qд (Qд √ Дебая температура ). Понятие Ф. позволяет описать тепловые и др. свойства кристаллов, используя методы кинетической теории газов . Ф. в большинстве случаев представляют собой главный тепловой резервуар твёрдого тела. Теплоёмкость кристаллического твёрдого тела практически совпадает с теплоёмкостью газа Ф. Теплопроводность кристалла можно описать как теплопроводность газа Ф., теплосопротивление которого обеспечивается процессами переброса.

Рассеяние электронов проводимости при взаимодействии с Ф. √ основной механизм электросопротивления металлов и полупроводников . Способность электронов проводимости излучать и поглощать Ф. приводит к притяжению электронов друг к другу, что при низких температурах является причиной перехода ряда металлов в сверхпроводящее состояние (см. Сверхпроводимость , Купера эффект ). Излучение Ф. возбуждёнными атомами и молекулами тел обеспечивает возможность безызлучательных электронных переходов (см. Релаксация ). В релаксационных процессах в твёрдых телах Ф. обычно служат стоком для энергии, запасённой др. степенями свободы кристалла, например электронными.

Среднюю энергию газа Ф. (как и др. квазичастиц) можно характеризовать величиной, подобной температуре обычного газа. Однако благодаря сравнительно слабой связи Ф. с др. квазичастицами фононная (или решёточная) температура может отличаться от температуры др. квазичастиц (электронов проводимости, магнонов, экситонов). В аморфных (стеклообразных) телах понятие Ф. удаётся ввести только для длинноволновых акустических колебаний, мало чувствительных к взаимному расположению атомов.

Ф. называются также элементарные возбуждения в сверхтекучем гелии , описывающие колебательное движение квантовой жидкости (см. Сверхтекучесть ).

Лит.: Займан Дж., Электроны и фононы, пер. с англ., М., 1962; Косевич А. М., Основы механики кристаллической решетки, М., 1972; Рейсленд Дж., Физика фононов, пер. с англ., М., 1975.

М. И. Каганов.

Фоно́н — квазичастица , введённая советским учёным Игорем Таммом . Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла .