光子对应于光,声子对应于声音吗?(2)
2023-05-02 来源:飞速影视
我们能听到声子发出的声音吗?不能,因为声子的振动只存在于微观的晶格之中,空气分子相距遥远,它们之间没有弹性联系,所以不能形成集体激发,也就不能传递声子振动。而在太空中只有极少的粒子,更不可能有声子的传播。
在许多固体和一部分液体中,原子和分子之间因为化学键形成紧密的晶格结构,当一个原子发生振动,由于它跟相邻原子间存在范德瓦尔斯力、共价键、静电吸引力等电磁力,也会连带着附近原子发生相应振动,这种振动被称为集体激发。
集体激发理论上可以是一维的线、二维平面,更多的是三维的晶格。为了简化三维原子晶格所需的分析,可以方便地对一维晶格或线性链进行建模。这个模型显示了声子的显着特征:
上面这个动画显示了一维晶格线性粒子链的前6个正常模式:位于顶部的波长最短,越往下波长越来越长,在最下面的线条中,我们可以看到波在向右运动。
在二维晶格中,由于原子之间的弹性连接,一个或多个原子从其平衡位置的位移产生了一组通过晶格传播的振动波,在下图中,我们以λ来标记平面振动波的波长:
声子振动的最小波长是多少?这个波长与原子间的距离有关,它大约是原子之间的平衡间隔的两倍。请注意,我们提到了平衡间隔,因为原子之间存在距离,这与原子本身的半径以及原子间相互作用的力有关,平衡间隔指的是当原子处于未激发状态(基态)时的相互间隔。由于受到相互作用力的牵制,原子受激发后的位移幅度也将受到限制。
为了更好地研究声子振动,物理学家们创造了一维与二维模型,实际上物体都是三维的,声子的振动也是在三维空间晶格中传递。
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