В кристалле одновременно могут присутствовать всевозможные нормальные колебания, причем каждое протекает как будто без присутствия остальных. Там могут возникать и звуковые, и оптические волны, и волны суперпозиции нормальных колебаний кристалла.
В какой-то момент могут возникать гармонические колебания, но это как исключение, в основном это ангармонические колебания. Слово плохо выговариваемое, но атомам это безразлично, у них свой язык. И этот язык до сих пор физиками не расшифрован. Может быть, атомы плохо слышат, поэтому, чтобы сделать какое-то сообщение своему соседу, пытаются приблизиться к нему и прокричать на ухо. А может, хотят получше разглядеть друг друга, но для нас все атомы на одно лицо, как аборигены в джунглях Амазонки. Так или иначе они не прекращают свои телодвижения ни днем, ни ночью, perpetuum mobile, да и только!
Колебания атомов в кристаллической решетке – один из основных видов внутренних движений в твердых телах.
Упругие волны рассматриваются в физике как распространение неких квазичастиц – фононов.
В данной работе я не касаюсь теории теплоемкости кристаллических тел (квантование колебательной энергии), предложенной Эйнштейном и впоследствии усовершенствованной Дебаем. Данная теория описана во всех учебниках по физике твердого тела.
Моя задача – показать энергию колебательных процессов в кристаллах и переноса ее в виде импульсов от атома к атому.
Прежде чем это сделать, необходимо вкратце описать сущность переноса энергии в современной физике, для этого придется разобраться с фононами.
2.10.2. Фонон
Чтобы как-то объяснить вечный танец атомов, нужна энергия, которую кто-то должен переносить, но, не зная, чем и кем энергия переносится, ученые исхитрились и придумали некую виртуальную квазичастицу и назвали ее – фонон. Наделили ее энергией и импульсом, квантом упругих колебаний, считая, что для переноса энергии эта частица вполне может подойти. После чего внутреннюю энергию кристалла можно рассматривать как суммарную энергию движущихся фононов (квазичастиц).
Фонон (phone – от греч. «звук») – квант колебаний кристаллической решетки. Термин введен И. Таммом по аналогии с фотоном, квантом электромагнитного поля.
Примечание. Как видите, частицы, не существующие в природе, но необходимые для объяснения происходящих физических процессов, «крутятся» вокруг фотона. Первой частицей является гравитон, и вот вторая квазичастица – фонон.