6机械波与电磁波关系的再认识

机械波与电磁波关系的再认识一、电磁波和机械波的异同点1.1机械波与电磁波的相同点：㈠都有波的的一切特性，如：能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。㈡波速、波长、频率之间具有同样的关系。1.2机械波与电磁波的不同点：㈠产生机理不同，机械波是由机械振动产生的；电磁波产生机理也不同，有电子的周期性运动产生（无线电波）；有原子的外层电子受激发后产生（红外线、可见光、紫外线）；有原子的内层电子受激发后产生（伦琴射线）；有原子核受激发后产生（射线）。㈡介质对传播速度的影响不同。①机械波的传播速度由介质决定，与频率无关，即同种介质不同频率的机械波传播速度相同。如声波在温度15摄氏度的空气中传播速度为340m/s，温度不同时传播速度不同，但与频率无关。②电磁波在真空中传播速度相同，均为3×108m/s。在同种介质中不同频率的电磁波传播速度不同，频率越大传播速度越小，如：红光和紫光在同种介质中折射率n红＜n紫。③机械波不能在真空中传播，电磁波能在真空中传播，其原因是：机械波传播的是振动形式，通过振动形式传递能量，其本身不是物质，故不能在真空中传播；而电磁波是电磁场在空间的传播，本身就是物质，在真空中可以传播，而在介质中传播速度反而受影响。二、机械波的新认识机械波在介质中传播时，质点之间的作用力是弹力，弹力类似于摩擦力本质上也是电磁力，因此在某种意义上可以认为机械波是电磁波在介质中传播的表现形式，这样就可以理解机械波与电磁波的共同点。电磁波既可以在真空中传播，也可以在介质中传播，因此真空中无需引入以太的概念，狭义相对论的基础就更加牢固了。在介质中传播的机械波是一种特殊电磁波，各种频率不同的电磁波的混合，笔者认为这种电磁波的频率可以等效地按照加权频率理解。温度相同的条件下介质不同，这种混合电磁波的频率也不同。机械波在不同介质中速度不同，所以机械波的传播速度由介质决定，与频率无关，即同种介质不同频率的机械波传播速度相同。这种加权频率与温度有关，所以机械波的传播速度与温度有关。这种电磁波的频率和机械波的频率是两个不同的概念，机械波的频率是质点运动的频率，类似于电流值电磁场的速度和电子的速度不同一样。三、声子与声子晶体3.1声子声子（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。而要严格的按照多体理论来描述这么大量的原子和电子组成的系统，无论解析还是数值模拟都是一个未知数。声子是简谐近似下的产物，如果振动太剧烈，超过小振动的范围，那么晶格振动就要用非简谐振动理论描述。声子并不是一个真正的粒子，声子可以产生和消灭，有相互作用的声子数不守恒，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，在多体理论中称为集体振荡的元激发或准粒子。声子的化学势为零，属于玻色子，服从玻色-爱因斯坦统计。声子本身并不具有物理动量，但是携带有准动量，并具有能量。声子（Phonon）是一种非真实的准粒子，是用来描述晶体原子热振动——晶格振动规律的一种能量量子，它的能量等于ħωq。当晶体中的载流子运动时，即会遭受到热振动原子的散射（静止原子并不散射载流子），它们交换能量将以ħωq为单元进行，若电子从晶格振动获得ħωq能量,就称为吸收一个声子；若电子交给晶格ħωq能量,就称为发射一个声子。这种作用可采用载流子与声子的散射来描述，即称为声子散射。系统中声子的数目与温度有关：因为温度越高，晶格振动就越剧烈，其能量量子数目就越多，即声子数也就越多，因此随着温度的上升，声子散射载流子的作用也就越显著。在室温下、或者更高的温度下，半导体中的载流子主要是遭受到声子的散射（只有在很低的温度下才是以电离杂质中心的散射为主）。所以温度越高，载流子遭受到声子散射的几率就越大，从而迁移率和扩散系数也就越小。一般在室温下，由于声子散射的缘故，半导体载流子迁移率随着温度T的升高而T-3/2式地下降。至于晶体中声子之间的相互作用，如果声子的动量没有发生变化，而是两个声子碰撞而产生第三个声子的过程，就常常简称为正规碰撞（散射）过程（normalprocess）或者N过程。因为正规碰撞过程只改变动量的分布，而不影响热流的方向，故对热阻没有贡献。声子散射机制随着温度的升高而不断加强，也这是导致硅材料热导率从25K时的5500W/m·K下降到300K时148W/m·K的主要原因。除了三声子散射过程之外，还存在着杂质散射和边界散射，都会影响材料的热导率。当声波（纵波）在晶体中传播时，将造成晶体原子密度发生波动式的疏密变化——疏密波，并从而在晶体中产生额外的周期性势场波（该势场波的周期与声波相同）。在Si、Ge等原子半导体中，声波所产生的势场波就是畸变势周期性势场（这种势场波的波幅较小）；而在压电半导体中，声波所产生的势场波就是压电周期性电势场（这种势场波的波幅很大）。因为在晶体中的声波实际上与晶格振动的长声学波在本质上是相同的，因此也可以把声波量子化为声子（晶格振动的能量子可以称为是“热声子”）。从而声波在晶体中所产生的势场波可以认为就是声子的作用效果——声子势场波。在晶体中存在声子势场波时，如果晶体电子的平均自由程比声波的波长（λ=2π/q）要小（q为声子的波数），则电子会不断遭受声子散射而损失能量，从而电子将被声子势场波的波谷所俘获。在电子被声子势场波俘获的情况下，当声波在晶体中传播时，电子即被声子势场波牵引着向前，这就是所谓声子曳引效应。如图所示。由于声子势场波的波幅越大，声子曳引的作用也就越强，所以在压电半导体中的声子曳引效应较显著。同时，超声波也可以产生幅度较大的周期势场波，所以超声波牵引电子的作用也较强。声电效应：在半导体中，如果发生了声子曳引效应，即电子被声子牵引着向前运动，则必然就会导致电子往一边集中得较多，结果产生出电动势，这种由声波而产生电动势的现象就是所谓声电效应。假若是压电半导体，并且是采用超声波来牵引，那么声子曳引效应和相应的声电效应也就更强。故在利用声电效应工作的声电器件中，多采用压电半导体来制作，同时利用超声波来工作。②声波的放大和衰减：如果在出现声子曳引引效应