6機械波與電磁波關(guān)系的再認識

機械波與電磁波關(guān)系的再認識一、電磁波和機械波的異同點1.1機械波與電磁波的相同點：㈠都有波的的一切特性，如：能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。㈡波速、波長、頻率之間具有同樣的關(guān)系。1.2機械波與電磁波的不同點：㈠產(chǎn)生機理不同，機械波是由機械振動產(chǎn)生的；電磁波產(chǎn)生機理也不同，有電子的周期性運動產(chǎn)生（無線電波）；有原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（紅外線、可見光、紫外線）；有原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（倫琴射線）；有原子核受激發(fā)后產(chǎn)生（射線）。㈡介質(zhì)對傳播速度的影響不同。①機械波的傳播速度由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)，即同種介質(zhì)不同頻率的機械波傳播速度相同。如聲波在溫度15攝氏度的空氣中傳播速度為340m/s，溫度不同時傳播速度不同，但與頻率無關(guān)。②電磁波在真空中傳播速度相同，均為3×108m/s。在同種介質(zhì)中不同頻率的電磁波傳播速度不同，頻率越大傳播速度越小，如：紅光和紫光在同種介質(zhì)中折射率n紅＜n紫。③機械波不能在真空中傳播，電磁波能在真空中傳播，其原因是：機械波傳播的是振動形式，通過振動形式傳遞能量，其本身不是物質(zhì)，故不能在真空中傳播；而電磁波是電磁場在空間的傳播，本身就是物質(zhì)，在真空中可以傳播，而在介質(zhì)中傳播速度反而受影響。二、機械波的新認識機械波在介質(zhì)中傳播時，質(zhì)點之間的作用力是彈力，彈力類似于摩擦力本質(zhì)上也是電磁力，因此在某種意義上可以認為機械波是電磁波在介質(zhì)中傳播的表現(xiàn)形式，這樣就可以理解機械波與電磁波的共同點。電磁波既可以在真空中傳播，也可以在介質(zhì)中傳播，因此真空中無需引入以太的概念，狹義相對論的基礎(chǔ)就更加牢固了。在介質(zhì)中傳播的機械波是一種特殊電磁波，各種頻率不同的電磁波的混合，筆者認為這種電磁波的頻率可以等效地按照加權(quán)頻率理解。溫度相同的條件下介質(zhì)不同，這種混合電磁波的頻率也不同。機械波在不同介質(zhì)中速度不同，所以機械波的傳播速度由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)，即同種介質(zhì)不同頻率的機械波傳播速度相同。這種加權(quán)頻率與溫度有關(guān)，所以機械波的傳播速度與溫度有關(guān)。這種電磁波的頻率和機械波的頻率是兩個不同的概念，機械波的頻率是質(zhì)點運動的頻率，類似于電流值電磁場的速度和電子的速度不同一樣。三、聲子與聲子晶體3.1聲子聲子（Phonon），即“晶格振動的簡正模能量量子”。在固體物理學的概念中，結(jié)晶態(tài)固體中的原子或分子是按一定的規(guī)律排列在晶格上的。在晶體中，原子間有相互作用，原子并非是靜止的，它們總是圍繞著其平衡位置在作不斷的振動。另一方面，這些原子又通過其間的相互作用力而連系在一起，即它們各自的振動不是彼此獨立的。原子之間的相互作用力一般可以很好地近似為彈性力。形象地講，若把原子比作小球的話，整個晶體猶如由許多規(guī)則排列的小球構(gòu)成，而小球之間又彼此由彈簧連接起來一般，從而每個原子的振動都要牽動周圍的原子，使振動以彈性波的形式在晶體中傳播。這種振動在理論上可以認為是一系列基本的振動（即簡正振動）的疊加。當原子振動的振幅與原子間距的比值很小時（這在一般情況下總是固體中在定量上高度正確的原子運動圖象），如果我們在原子振動的勢能展開式中只取到平方項的話（這即所謂的簡諧近似），那么，這些組成晶體中彈性波的各個基本的簡正振動就是彼此獨立的。換句話說，每一種簡正振動模式實際上就是一種具有特定的頻率ν、波長λ和一定傳播方向的彈性波，整個系統(tǒng)也就相當于由一系列相互獨立的諧振子構(gòu)成。在經(jīng)典理論中，這些諧振子的能量將是連續(xù)的，但按照量子力學，它們的能量則必須是量子化的，只能取hν的整數(shù)倍，即En=（n+1/2）hν（其中E0=hν/2為零點能）。這樣，相應的能態(tài)En就可以認為是由n個能量為hν的“激發(fā)量子”相加而成。而這種量子化了的彈性波的最小單位就叫聲子。聲子是一種元激發(fā)，因此聲子用來描述晶格的簡諧振動，是固體理論中很重要的一個概念。按照量子力學，物體是由大量的原子構(gòu)成，每種原子又都含有原子核和電子，因此固體內(nèi)存在原子核之間的相互作用、電子間的相互作用還有原子核與電子間的相互作用。電子的運動規(guī)律可以用密度泛函理論得到，那么原子核的運動規(guī)律就用聲子來描述。當然這兩個理論（密度泛函和聲子）都是近似的，因為解析的嚴格解到為止還沒有得到。而要嚴格的按照多體理論來描述這么大量的原子和電子組成的系統(tǒng)，無論解析還是數(shù)值模擬都是一個未知數(shù)。聲子是簡諧近似下的產(chǎn)物，如果振動太劇烈，超過小振動的范圍，那么晶格振動就要用非簡諧振動理論描述。聲子并不是一個真正的粒子，聲子可以產(chǎn)生和消滅，有相互作用的聲子數(shù)不守恒，聲子動量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。聲子只是格波激發(fā)的量子，在多體理論中稱為集體振蕩的元激發(fā)或準粒子。聲子的化學勢為零，屬于玻色子，服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。聲子本身并不具有物理動量，但是攜帶有準動量，并具有能量。聲子（Phonon）是一種非真實的準粒子，是用來描述晶體原子熱振動——晶格振動規(guī)律的一種能量量子，它的能量等于?ωq。當晶體中的載流子運動時，即會遭受到熱振動原子的散射（靜止原子并不散射載流子），它們交換能量將以?ωq為單元進行，若電子從晶格振動獲得?ωq能量,就稱為吸收一個聲子；若電子交給晶格?ωq能量,就稱為發(fā)射一個聲子。這種作用可采用載流子與聲子的散射來描述，即稱為聲子散射。系統(tǒng)中聲子的數(shù)目與溫度有關(guān)：因為溫度越高，晶格振動就越劇烈，其能量量子數(shù)目就越多，即聲子數(shù)也就越多，因此隨著溫度的上升，聲子散射載流子的作用也就越顯著。在室溫下、或者更高的溫度下，半導體中的載流子主要是遭受到聲子的散射（只有在很低的溫度下才是以電離雜質(zhì)中心的散射為主）。所以溫度越高，載流子遭受到聲子散射的幾率就越大，從而遷移率和擴散系數(shù)也就越小。一般在室溫下，由于聲子散射的緣故，半導體載流子遷移率隨著溫度T的升高而T-3/2式地下降。至于晶體中聲子之間的相互作用，如果聲子的動量沒有發(fā)生變化，而是兩個聲子碰撞而產(chǎn)生第三個聲子的過程，就常常簡稱為正規(guī)碰撞（散射）過程（normalprocess）或者N過程。因為正規(guī)碰撞過程只改變動量的分布，而不影響熱流的方向，故對熱阻沒有貢獻。聲子散射機制隨著溫度的升高而不斷加強，也這是導致硅材料熱導率從25K時的5500W/m·K下降到300K時148W/m·K的主要原因。除了三聲子散射過程之外，還存在著雜質(zhì)散射和邊界散射，都會影響材料的熱導率。當聲波（縱波）在晶體中傳播時，將造成晶體原子密度發(fā)生波動式的疏密變化——疏密波，并從而在晶體中產(chǎn)生額外的周期性勢場波（該勢場波的周期與聲波相同）。在Si、Ge等原子半導體中，聲波所產(chǎn)生的勢場波就是畸變勢周期性勢場（這種勢場波的波幅較小）；而在壓電半導體中，聲波所產(chǎn)生的勢場波就是壓電周期性電勢場（這種勢場波的波幅很大）。因為在晶體中的聲波實際上與晶格振動的長聲學波在本質(zhì)上是相同的，因此也可以把聲波量子化為聲子（晶格振動的能量子可以稱為是“熱聲子”）。從而聲波在晶體中所產(chǎn)生的勢場波可以認為就是聲子的作用效果——聲子勢場波。在晶體中存在聲子勢場波時，如果晶體電子的平均自由程比聲波的波長（λ=2π/q）要?。╭為聲子的波數(shù)），則電子會不斷遭受聲子散射而損失能量，從而電子將被聲子勢場波的波谷所俘獲。在電子被聲子勢場波俘獲的情況下，當聲波在晶體中傳播時，電子即被聲子勢場波牽引著向前，這就是所謂聲子曳引效應。如圖所示。由于聲子勢場波的波幅越大，聲子曳引的作用也就越強，所以在壓電半導體中的聲子曳引效應較顯著。同時，超聲波也可以產(chǎn)生幅度較大的周期勢場波，所以超聲波牽引電子的作用也較強。聲電效應：在半導體中，如果發(fā)生了聲子曳引效應，即電子被聲子牽引著向前運動，則必然就會導致電子往一邊集中得較多，結(jié)果產(chǎn)生出電動勢，這種由聲波而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象就是所謂聲電效應。假若是壓電半導體，并且是采用超聲波來牽引，那么聲子曳引效應和相應的聲電效應也就更強。故在利用聲電效應工作的聲電器件中，多采用壓電半導體來制作，同時利用超聲波來工作。②聲波的放大和衰減：如果在出現(xiàn)聲子曳引引效應