关于声子概念的一些理解

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　　在固体物理的学习过程中，我们接触到了“声子”这个十分重要的概念。在黄昆先生的书中，对于声子是这样阐述的：“声子就是指格波的量子，它的能量等于 。一个格波，也就是一种振动模，称为一种声子。当这种振动模处于 本征态时，称为有nq个声子，nq为声子数;当电子(或光子)与晶格振动相互作用，交换能量以为单元，若电子从晶格获得能量，成为吸收一个声子，若电子给晶格能量，成为发射一个声子。声子不是真实的粒子，称为“准粒子”，它反映的是晶格原子集体运动状态的激发单元，常称为元激发，声子是一种典型的元激发。”


　　声子这个重要概念的提出，可以说给固体物理学的发展带来了一场革命。那么对于声子，我们究竟应该怎样理解呢?

　　如果想要对声子概念有一个比较全面的理解，我们首先就要审视一下固体中的“元激发”和“准粒子”这两个概念。

　　所谓固体中的元激发，可以认为是固体中某种振动或波的能量量子，就是指固体中具有确定的能量的基本的激发单元。认为固体中的激发态是由一些元激发组成，是一种有效的描写固体的方法。固体中的元激发是微观粒子在特定的相互作用下产生的集体运动状态的量子。

　　至于准粒子的概念，则既与元激发密切相关，准粒子是元激发的一种表示，用以描写多粒子体系的激发态的基本激发单元。每个元激发相当于一个准粒子。对于各种宏观物体，常常用出现了几个元激发来描述整个物体处于某种低激发态。声子就可以看作固体中一种典型的元激发，一种描述这种元激发的抽象意义下的“粒子”一一准粒子。

　　声子，并没有被物理学家们认为像光子和电子那样是“真实”的粒子，而被认为是一种准粒子。但是，声子却似乎具有“真实”的量子粒子的一些属性。对此，我们可以再作些讨论。

　　1. 声子与光子的比较
　　粒子间的电磁相互作用是通过电磁场发生的。光子是电磁场的量子，它是粒子间电磁相互作用的媒介。带电体之间或电流之间，或带电体和电流之间都有电磁相互作用。光子无静止质量，它的能量是hv。同光子能量联系的质量是hv/c2。原子发射光谱时，其跃迁的选择定则中△L =1，这表示发射出的光子必然具有的角动量，和其他自旋为零或为 整数倍的粒子所组成的全同粒子体系的波函数是对称的，这类粒子服从玻色一一爱因斯坦统计，因而被称为玻色子。能级的跃迁只能发生在奇性和偶性能态之间，这说明发出的光子具有奇性的宇称。


　　物理学家们在类比光子的过程中从理论上构造出来的声子，自旋为零，是玻色子，因而它们的数目是不守恒的。随着温度的升高，固体中原子的振动加剧，相应地声子数目也将增多。另一方面，声子也可以在碰撞过程中被产生和消灭。实际上，在简谐近似下，声子之间是没有相互作用，即它们之间不会发生碰撞。然而，因简谐近似只是一种理想情况，在实际固体中，晶格原子作用力非简谐成分将导致声子与声子之间的散射。

　　2. 声子与电子的比较
　　我个人认为，声子与电子这样的微观粒子的最大的差别在于，电子在碰撞过程中遵守动量守恒定律，而声子在碰撞过程中则不一定遵循动量守恒定律。两个声子碰撞后，会产生一个新的声子。当这种碰撞过程分别满足能量守恒定律和通常的动量守恒定律时，这种过程被称为正常过程，它对于固体中热平衡的建立是重要的。而当在另一些情况下，新产生的声子不遵从通常的动量守恒定律，而向反向传播时，此过程被称为反转过程，利用它可以有效地解释固体中的热阻现象。

　　3. 声子与理想气体的比较
　　人们可以人为地把固体中的原子与代表原子振动的声子分开考虑，很方便地把固体看作是包含有“声子气体”的容器，在简谐近似下，这种“声子气体”是理想的，对应于我们通常的理想气体概念，而考虑到非简谐作用时，由于声子间有相互作用，则它们对应于某种实际气体。差别是真实气体的分子数是守恒的，而声子气体中的声子数是不守恒的。但在同处理电磁辐射场时利用的“光子气体”的比较中，声子气体与光子气体在这一点上又是具有相同性质的(均为由玻色子构成的“气体”，均服从玻色一爱因斯坦统计)。因而，引入声子气体的概念不仅使整个物理图像更加清晰、形象，而且可以使物理学家将许多气体分子运动论和量子统计力学的处理方法用于固体问题。

　　引入声子概念便于处理固体中相互作用问题，把声子当作有能量和动量的玻色粒子来处理，将是十分方便的。但是，声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用时声子数不守恒，声子动量的守恒律也不同于一般的粒子，并且声子不能脱离固体存在。声子只是格波激发的量子，是集体振荡的元激发或准粒子。晶体中的声子是我们研究固体物理的一个有力的方法和模型，其可行性己经被众多的实验证实。

　　来源：整理自道客巴巴，原文由陈航分享