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第二章 固体的结合晶体结合的类型 晶体结合的物理本质固体结合的基本形式与固体材料的结构、物理和化学性质有密切联系 § 2.1 离子性结合元素周期表中第I 族碱金属元素（Li 、Na 、K 、Rb 、Cs ）与第VII 族的卤素元素（F 、Cl 、Br 、I ）化合物（如 NaCl ， CsCl ，晶体结构如图XCH001_009_01和XCH001_010所示）所组成的晶体是典型的离子晶体，半导体材料如CdS 、ZnS 等亦可以看成是离子晶体。
1. 离子晶体结合的特点以CsCl 为例，在凝聚成固体时，Cs 原子失去价电子，Cl 获得了电子，形成离子键。
以离子为结合单元，正负离子的电子分布高度局域在离子实的附近，形成稳定的球对称性的电子壳层结构；,,,Na K Rb Cs Ne Ar Kr Xe FClBrI++++−−−−⇒⇒⇒⇒离子晶体的模型：可以把正、负离子作为一个刚球来处理；离子晶体的结合力：正、负离子之间靠库仑吸引力作用而相互靠近，当靠近到一定程度时，由于泡利不相容原理，两个离子的闭合壳层的电子云的交迭会产生强大的排斥力。
当排斥力和吸引力相互平衡时，形成稳定的离子晶体； 一种离子的最近邻离子为异性离子；离子晶体的配位数最多只能是8（例如CsCl 晶体）；由于离子晶体结合的稳定性导致了它的导电性能差、熔点高、硬度高和膨胀系数小；大多数离子晶体对可见光是透明的，在远红外区有一特征吸收峰。
氯化钠型(NaCl 、KCl 、AgBr 、PbS 、MgO)(配位数6) 氯化铯型(CsCl 、 TlBr 、 TlI)（配位数8）离子结合成分较大的半导体材料ZnS 等（配位数4） 2. 离子晶体结合的性质 1）系统内能的计算晶体内能为所有离子之间的相互吸引库仑能和重叠排斥能之和。
以NaCl 晶体为例，r 为相邻正负离子的距离，一个正离子的平均库仑能：∑++−++321321,,2/122322222102)(4)1('21n n n n n n r n r n r n q πε ——遍及所有正负离子，因子1/2—库仑作用为两个离子所共有，一个离子的库伦能为相互作用能的一半。
声子的名词解释声子（Phonon），即“晶格振动的简正模能量量子”。
在固体物理学的概念中，结晶态固体中的原子或分子是按一定的规律排列在晶格上的。
在晶体中，原子间有相互作用，原子并非是静止的，它们总是围绕着其平衡位置在作不断的振动。
另一方面，这些原子又通过其间的相互作用力而连系在一起，即它们各自的振动不是彼此独立的。
原子之间的相互作用力一般可以很好地近似为弹性力。
形象地讲，若把原子比作小球的话，整个晶体犹如由许多规则排列的小球构成，而小球之间又彼此由弹簧连接起来一般，从而每个原子的振动都要牵动周围的原子，使振动以弹性波的形式在晶体中传播。
这种振动在理论上可以认为是一系列基本的振动（即简正振动）的叠加。
当原子振动的振幅与原子间距的比值很小时（这在一般情况下总是固体中在定量上高度正确的原子运动图象），如果我们在原子振动的势能展开式中只取到平方项的话（这即所谓的简谐近似），那么，这些组成晶体中弹性波的各个基本的简正振动就是彼此独立的。
换句话说，每一种简正振动模式实际上就是一种具有特定的频率ν、波长λ和一定传播方向的弹性波，整个系统也就相当于由一系列相互独立的谐振子构成。
在经典理论中，这些谐振子的能量将是连续的，但按照量子力学，它们的能量则必须是量子化的，只能取hν的整数倍，即En=（n+1/2）hν（其中E0=hν/2为零点能）。
这样，相应的能态En就可以认为是由n个能量为hν的“激发量子”相加而成。
而这种量子化了的弹性波的最小单位就叫声子。
声子是一种元激发。
因此，声子用来描述晶格的简谐振动，是固体理论中很重要的一个概念。
按照量子力学，物体是由大量的原子构成，每种原子又都含有原子核和电子，因此固体内存在原子核之间的相互作用、电子间的相互作用还有原子核与电子间的相互作用。
电子的运动规律可以用密度泛函理论得到，那么原子核的运动规律就用声子来描述。
当然这两个理论（密度泛函和声子）都是近似的，因为解析的严格解到为止还没有得到。
声子的概念和特点声子（Phonon）是固体物理学中描述晶体中晶格振动的量子发生器的概念。
声子是晶体中的一个虚拟粒子，它表示的是晶格振动的量子。
声子的概念是为了描述固体中的宏观振动现象及其与固体中其他粒子相互作用的研究提供一个有用的理论框架。
声子的特点有以下几个方面：1. 粒子性质：声子是晶格振动的量子化现象，其具有粒子性质。
晶体中的振动能量按量子化的方式传递，其中每个声子对应一个能量和动量，其传播速度与晶体中的声速有关。
2. 统计性质：声子是一种玻色子，遵循玻色-爱因斯坦分布。
根据玻色子性质，声子之间是可以相互叠加的。
这使得声子能够形成声子气体，从而影响固体的热导率、声学性质等。
3. 激发行为：声子在晶体中的产生可以通过热激发或外加能量的方式。
当系统受到外界扰动时，原子或分子之间的相互作用使得晶格发生振动，这些振动以声子的形式传播。
4. 能量谱：声子能量与动量之间存在一个关系，称为能谱。
能谱基本上是晶体中离子力学矩阵的函数，它描述了声子的能量与其频率和波矢之间的关系。
在一维晶格中，能谱是连续的，而在二维和三维晶格中，能谱是分散的。
5. 声子晶体学：声子是晶体中晶格振动的变分量子，声子晶体学是一种将振动波矢（声子）引入到晶体学中的方法。
在声子晶体学中，声子的离散能谱导致了晶体中声学和光学模式的出现。
6. 热传导：声子在固体中的传播是晶体的热传导的基础。
因为声子具有一定的动量，当声子在晶格中传播时，会导致晶格的振动，进而导致晶格的温度升高。
声子的能量传递机制是固体中热传导的重要机制之一。
总之，声子作为固体物理学中的基本概念，在研究固体中的振动性质、热传导机制、声学行为等方面起着重要作用。
通过对声子的理解和研究，可以更好地解释晶体的宏观性质和固体的热力学行为。
同时，声子也是新材料、热电材料等领域的重要研究方向，这些研究有望为材料设计和能源利用提供新的思路。
固体物理学中的晶格振动与声子理论晶体是由原子或分子按照一定的规则排列形成的三维空间周期性结构。
在晶体中，原子或分子不是静止不动的，而是以不同的方式振动。
这种振动称为晶格振动，它是固体物理学中的一个重要研究课题，与晶体的性质和行为密切相关。
晶格振动是晶体中原子或分子的协同振动。
晶格振动可以分为长波和短波两种类型。
长波振动是指原子或分子在晶格中以相对偏移的方式振动，而短波振动则是指原子或分子在晶格中以体积变化的方式进行振动。
晶格振动是通过声波传播的，因为声波是介质中粒子振动的传递方式。
声子理论是描述固体中晶格振动的重要理论框架。
根据声子理论，晶体中的振动可以看做是自由度离散的量子力学系统。
它引入了一个新的物理量，即声子，它代表了晶格中的元激发，类似于固体中的粒子。
声子具有能量和动量，并且可以在固体中传播和相互作用。
声子的能量与振动模式相关。
在晶体中，存在不同的振动模式，每种振动模式对应一个特定的波矢和频率。
通过声子理论，可以计算出不同振动模式的能量，进而获得晶体中的频谱信息。
频谱信息反映了晶体中的振动性质，可以用来解释和预测材料的热力学性质、电子结构等。
声子理论还可以解释和预测晶体的热传导性能。
晶体的热传导是通过声子的散射传递热量的，因此理解声子的传播性质对于研究和优化热传导材料至关重要。
通过声子理论，可以计算声子的群速度和散射率，进而预测材料的热导率。
这对于设计新的热障涂层、热电材料等具有重要意义。
声子理论也在纳米材料和低维材料中发挥着重要作用。
在这些材料中，表面效应和尺寸效应导致晶格振动的变化，进而影响材料的性质。
声子理论可以用来研究这种尺寸效应，并解释纳米材料的热力学性质、凝聚态物理行为等。
总之，固体物理学中的晶格振动与声子理论是研究晶体性质和行为的重要工具。
通过声子理论，可以揭示晶体中振动模式的能量、频率和传播性质，进而解释和预测材料的热力学性质、热传导性能等。
声子理论在材料科学和凝聚态物理研究中具有广泛的应用前景。
固体物理学中的声子固体物理学是研究物质的力学、热力学、电磁特性以及构成等问题的学科。
而从这个角度来看，声子是固体物理学派别中的一个重要研究对象。
声子的定义声子是指在具有周期性结构的晶体中的一种准粒子，代表的是一种机械波在晶格中的传播情况。
它是一种纵波和横波的混合波，既有弹性波也有热量运输波。
声子在固体物理学中的重要性在固体物理学中，声子的重要性不断凸显。
它的影响力主要体现在以下几个方面：1. 声子振动与热容量声子是带有量子力学属性的物体，其振动方式有着其自身的能量。
在热力学中，它们作为粒子来考虑，与其运动方式的能量大小成比例。
因此，声子振动是导致晶体热容量实验数据出现反常现象的原因之一。
2. 声子振动与热导率声子振动也对热导率有着重要的影响。
它们是晶体中热量的传递媒介，对热的传输和分布起着极大的作用。
3. 声子振动与晶格动力学声子在晶体中的传播与晶格动力学有着密切的关系。
它们的振动方式是晶体中的原子或离子在平衡位置周围的小幅度偏差。
4. 声子振动与固体结构稳定性晶体中的原子或离子通过共价键连接在一起，形成晶体。
声子振动在这些键中传播，维持着晶体的稳定结构。
声子是固体稳定性的不可或缺的因素，它们通过振动调整化学键的长度和角度，控制着晶体的结构。
发展历史与重大发现声子的概念得以最早阐明是在20世纪20年代。
于1933年提出对于固体中声子的经典统计描述并成功应用于微观热力学、声学和物态相变等领域。
1960年代，人们开始使用中子和X-射线散射来探测声子，进一步深入了解了声子的属性。
这期间提出的Einstein模型和Debye模型相继被正式提出并得到广泛应用。
直到20世纪60年代，声子服从的能量-动量关系得到了三个独立实验的证实。
由此，确定了固体中声子的自由度数，为研究声子埋下了基础。
固体物理学中的声子虽然自从被发现以来已经有了几十年的研究历程，但它的研究和发展永远不会停止。
与此同时，也不可遏制的是，固体物理学的其他领域中也存在着许许多多的未发现的研究对象，等待着专业人士们的发现和解析。
固体理论讲义⼆-声⼦1．晶格动⼒学本节⽤经典⼒学的⽅法讨论完整晶格中原⼦（离⼦）绕平衡位置的振动-晶格振动晶体的元胞数为N ，原⼦质量为M ，原⼦的位置： )()(t u R t X l l l += )(t u l 则代表此原⼦的位移。
晶格振动的总动能 z y x u u M T ll l ,,21,==∑αααα总势能为 ...)',(21)(',',0+Φ+Φ+Φ=Φ∑∑∑βααβαβαααl l l l l l u u l l u l),'()',(0)(0'200l l u u l l u l l l l βαβααβααΦ==Φ=Φ=ΦΦ的势能。
为常数，是平衡位置时由于晶体的平移对称性 )'()'()',(l l l l l l -Φ=-Φ=Φβααβαβ)'(l l -Φαβ代表l ’元胞中原⼦沿β⽅向移动单位距离时对l 元胞中原⼦作⽤⼒沿α⽅向的分量，称为⼒常数 ∑=-Φ'0)'(l l l αβ因为当整体作刚性运动（即每个原⼦均作ααv u l =）时，晶格中任⼀原⼦受到其它原⼦作⽤⼒之总和为零；即)'()'()('''=?-Φ-=-Φ-=?Φ?-=∑∑∑ββαβββαβααv l l u l l ul F l l l------------------------- 略去Φ展开的三次⽅∑∑∑=-Φ+=Φ+=αααββααβααα,,'',)'(2121l lT H由正则⽅程可得系统的运动⽅程ββαβα',')'(l l l u l l u M -Φ-=∑??利⽤平移对称性及布洛赫定理αα0u e u lR ik l ?=对于确定的k ，运动⽅程的解表现出下列特征：（1）各元胞中原⼦振动的⽅向相同，振幅相等。
