固体物理：3.4长波近似.ppt

第四节 长波近似本节主要内容:3.4.1 长声学波3.4.2 离子晶体的长光学波 3.4 长波近似3.4.1 长声学波下面以一维双原子链为例讨论1.对于声学支格波2.对于连续介质 考虑介质中x与(x+dx)间长度为dx的一段，设一维介质的线密度为，则这段介质的运动方程为：改用偏微商的符号，则有：上式是标准的波动方程，其解为：代入得：由此得弹性波的传播相速度：恢复力将上式用于一维复式格子，应变是 其中um+1和um分别是第m+1个及第m个原子的位移，a为第m+1个及第m个原子平衡时的间距对一维复式格子，显然密度为：可推知： 由此可以看出，弹性波的波速与长声学波的波速完全相等，即长声学波与弹性波完全一样长声学波，格波可以看成连续波，晶体可以看成连续介质 长光学波，在半波长范围内，正负离子各向相反的方向运动，电荷不再均匀分布，出现以波长为周期的正负电荷集中的区域由于波长很大，使晶体呈现出宏观上的极化，因此长光学波又称为极化波由两种不同离子组成的一维复式格子1.黄昆方程3.4.2 离子晶体的长光学波 有效电场宏观电场宏观极化强度离子晶体的极化离子位移极化电子位移极化 对于长光学波，在相当大的范围内，同种原子的位移相同，所以离子位移极化强度为： 对于立方晶格，洛伦兹提出了求解有效电场的方法，由理论分析得到：e*为离子的有效电荷量 一个原胞内正负离子受到有效电场的作用，产生的电子位移极化强度为： 其中为原胞的体积，+ ，- 分别为正负离子的电位移极化率， 则总的极化强度为：将 代入，得： = + + - 作用在离子上的除了准弹性恢复力以外，还要考虑到有效电场的作用。

则正负离子的运动方程为：再看离子运动方程，我们对一维复式格子的方程由上式 得:将 代入，得：引进位移参量则有-黄昆方程 (1)式代表振动方程，右边第一项 为准弹性恢复力，第二项表示电场 附加了恢复力 (2)式代表极化方程， 表示离子位移引起的极化，第二项表示电场 附加了极化 晶体内无自由电荷，得将电场分成有旋场和无旋场两部分，2.LST关系(利戴恩- 萨克斯-特勒关系 LyddaneSachsTeller)longitudinal transverse将黄昆方程 代入得上式的成立条件是：由黄昆方程得：将上式中的有旋场与无旋场分开得到：由麦克斯韦电磁波理论可知，则上式变为上面两方框中式子均为简谐方程，由此得振动频率 为了将系数b22，b21(=b12)和晶体的介电系数联系起来，再考虑两种极端情况：1）对于静电场，则由黄昆方程得：将上式与比较得：式中s是离子晶体的相对介电常数2）高频电场下的介电极化，如果电场的频率远高于晶格振动频率，则晶格位移跟不上电场的变化，因此有W=0由黄昆方程(2)式得：式中是离子晶体的光频介电常量又-著名的LST关系光频介电常量静电介电常量这一点可理解：在离子性晶体中长光学波产生极化电场，电场的方向是阻滞离子位移的，增加了纵波的恢复力，从而提高了纵波的频率。

有些晶体在某种温度下，恢复力消失，发生位移的离子回不到原来平衡位置，即晶体结构发生了改变在这一新结构中，正负离子存在固定的位移偶极矩，产生了所谓的自发极化 (2)铁电软模(光学软模) 相当于弹簧振子系统中的弹簧丧失了弹性，即弹簧变软称 的振动模式为铁电软模(或光学软模)3.极化声子和电磁声子 因为长光学波是极化波，且只有长光学纵波才伴随着宏观的极化电场，所以长光学纵波声子称为极化声子 长光学横波与电磁场相耦合，它具有电磁性质，称长光学横波声子为电磁声子q是离子的有效电荷量一个原胞内的离子位移偶极矩为对于长光学波来说，相当大的范围内，同种原子的位移相同，我们记u+和u分别为正负离子的位移，则上式化成一个原胞内正负离子受到有效电场的作用，产生的电子位移偶极矩为： a+和a_分别为正负离子的电子位移极化率于是，电子位移极化强度。