Φωνόνιο

Φωνόνιον

phonon

- Ένα Οιονοσωματίδιο

Ετυμολογία[]

Η ονομασία "φωνόνιο" σχετίζεται ετυμολογικά με την λέξη "φωνή".

Σύμφωνα με την Φυσική Στερεάς Κατάστασης, το φωνόνιο ), είναι το κβάντο (ελάχιστο διακριτό πακέτο) ενέργειας που μπορεί να μεταφερθεί σε ένα στερεό κρύσταλλο, με μηχανικές ταλαντώσεις των ατόμων του, και αντιστοιχεί στη μηχανική ταλάντωση του ελάχιστου ταλαντωτή του κρυσταλλικού πλέγματος. Για μονοατομικό κρύσταλλο ο ελάχιστος ταλαντωτής είναι το ένα άτομο.

Το φωνόνιο είναι το αποτέλεσμα της μικρότερης δυνατής ταλάντωσης του κρυσταλλικού πλέγματος που μεταφέρει ενέργεια μεταξύ ατόμων.

Ανάλογα με τον τρόπο που μελέτης τα αποτελέσματα της συμπεριφοράς του κρυστάλλου, το φωνόνιο εμφανίζεται είτε ως σωματίδιο με ορμή (μάζα και ταχύτητα) είτε ως κύμα.

Τις ιδιότητες σωματιδίου (σχήμα, θέση, ορμή) τις εμφανίζουν και ομάδες φωνονίων που βρίσκονται σε συνοχή, διατηρώντας το σχήμα της κατανομής τους στο χώρο, ενώ οδεύουν μέσα στον κρύσταλλο. Το συμπαγές αυτό «νέφος» ή «πακέτο» φωνονίων, που υπό προϋποθέσεις η επαλληλία των φωνονίων διατηρεί το «σχήμα» του, την ορμή και την ενέργειά του, αποδίδεται επίσης ως φωνόνιο.

Το φωνόνιο είναι ένα ιδεατό σωματίδιο που εμφανίζει μετρήσιμες ιδιότητες κανονικού σωματιδίου και υπάρχει ως η μεταβολή (τοπική συμπύκνωση και αραίωση) του περιβάλλοντος στο οποίο αναδύεται.

Οι ταλαντώσεις του κρυσταλλικού πλέγματος[]

Ένα στερεό που δεν στηρίζεται κάπου και διεγείρεται ώστε στιγμιαία να παραμορφωθεί ελαστικά, ταλαντώνει σε ιδιοσυχνότητες, αναπτύσσει δηλαδή στάσιμα κύματα (τρόπους ταλάντωσης) με Μήκος Κύματος υποπολλαπλάσιο των διαστάσεων του στερεού.

Για μια ράβδο, που την εξετάζουμε σαν να έχει μόνο μία διάσταση (μήκος), τα στάσιμα κύματα που αναπτύσσονται σε αυτήν μπορούν να έχουν μήκος κύματος όσο το μήκος της ράβδου ή όσο το ήμισυ του μήκους της, το ένα τρίτο του μήκους της, το ένα τέταρτο, κλπ.

Το φωνόνιο σε κάποιο στερεό είναι το μικρότερο στάσιμο κύμα που μπορεί να αναπτυχθεί μέσα εκεί και αντιστοιχεί στην ταλάντωση του μικρότερου ταλαντωτή.

Αν το στερεό είναι μέταλλο για παράδειγμα ο μικρότερος ταλαντωτής είναι το ένα άτομο και το μήκος κύματος $\mathbf{\lambda}$ που αντιστοιχεί στο φωνόνιο είναι δύο φορές η απόσταση $\mathbf{\alpha}$ μεταξύ δύο γειτονικών ατόμων του κρυστάλλου.

Έτσι, στο φωνόνιο μιας ιδανικά λεπτής μεταλλικής ράβδου αντιστοιχεί ο κυματαριθμός $\rm k = \frac{2 \cdot \pi}{\lambda}$ με $\lambda = 2 \cdot \alpha.$

Διάδοση του ήχου στα στερεά[]

Το φωνόνιο είναι το μικρότερο πακέτο ενέργειας, με μορφή κύματος, που προστίθεται ή αφαιρείται για να μορφώσει έναν ήχο που ταξιδεύει μέσα σε ένα στερεό. Ο ήχος είναι αποτέλεσμα της επαλληλίας κυμάτων που μπορούν και αναπτύσσονται στο στερεό ως «κανονικοί τρόποι» ταλάντωσής του.

Για τον προσεγγιστικό υπολογισμό του φωνονίου θεωρούμε όχι άπειρο, αλλά πεπερασμένο το μήκος του κρυστάλλου και αντίστοιχα όχι άπειρο αλλά πεπερασμένο τον αριθμό $\ N$ των ατόμων του στη μελετούμενη διάσταση. Για κάθε κανονικό τρόπο ταλάντωσης, ο κυματαριθμός της ταλάντωσης λαμβάνει διακριτές τιμές ${\displaystyle k_n = {n\pi \over N\alpha} \quad}$ με $\ n = 0, \pm1, \pm2, ... , \pm N\ ,$ όπου $\mathbf{\alpha}$ η απόσταση μεταξύ των γειτονικών ατόμων του πλέγματος.

Το φωνόνιο αντιστοιχεί στον κανονικό τρόπο ταλάντωσης με το μικρότερο μήκος κύματος που μπορεί να αναπτυχθεί και να διαδοθεί μέσα στον κρύσταλλο. Κάθε κανονικός τρόπος ταλάντωσης, με τη σειρά του, αναλύεται και περιγράφεται ως επαλληλία φωνονίων. Ο ήχος, τελικά, μπορεί να περιγραφεί ως επαλληλία φωνονίων.

Τα φωνόνια που μελετώνται στους κρυστάλλους διαδίδονται με ηχητικές (κλασσικές) ταχύτητες, πολύ μικρότερες δηλαδή της ταχύτητας του φωτός. Στην ουσία καθορίζουν την ταχύτητα διάδοσης του ήχου μέσα στα στερεά.

Η κβαντομηχανική προσέγγιση[]

Σύμφωνα με την Κβαντική Μηχανική, εκτός από κβάντα ενεργειακών κυμάτων, τα φωνόνια περιγράφονται και διαφορετικά ώστε να θεωρούνται κβαντομηχανικά σωματίδια, καθώς από τον αντίστοιχο φορμαλισμό αποδίδονται σε αυτά ιδιότητες θέσης και ορμής. Οι επαλληλίες των ταλαντώσεων πολλών φωνονίων, που δίνουν μεγαλύτερα μήκη κύματος και πιο σύνθετες μορφές κυμάτων (όπως οι ήχοι στα στερεά), όταν αναλυθούν με κβαντομηχανικούς όρους (σύμφωνα με τις αρχές του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού) περιγράφονται ως «νέφη» φωνονίων.

Άλλοι ρόλοι και ιδιότητες[]

Τα φωνόνια παίζουν σημαντικό ρόλο στη Θερμική Αγωγιμότητα στα υλικά ως φορείς ενέργειας μέσα σε αυτά. Μεταφέροντας ενέργεια ακόμη αλλάζουν τη θερμοκρασία των αγωγών άρα και την ηλεκτρική αντίστασή τους.

Επίσης με την αύξηση της θερμοκρασίας αλλάζουν οι ενδοατομικές αποστάσεις και αλλάζει και το φωνόνιο.

Φαίνεται πως παίζουν σημαντικό ρόλο στο φαινόμενο σήραγγος με εφαρμογές στους ημιαγωγούς, στις μετρήσεις απεικόνισης επιφανειών από σαρωτικά μικροσκόπια σήραγγος κλπ.

Υπεραγωγιμότητα[]

Ιδιαίτερο ρόλο έχει το φωνόνιο σε όλα τα είδη του φαινομένου της υπεραγωγιμότητας, η οποία εμφανίζεται σε χαμηλές θερμοκρασίες που τα άτομα στον κρύσταλλο ταλαντώνουν ελάχιστα. Στην περίπτωση που η υπεραγωγιμότητα οφείλεται στο μηχανισμό των bipolaron, η ελαστική παραμόρφωση του κρυστάλλου (έλξη των θετικών ιόντων του) από ένα διερχόμενο ηλεκτρόνιο το οποίο παρασύρεται από Ηλεκτρεγερτική Δύναμη,

α) δημιουργεί συνθήκες που ο τρόπος ταλάντωσης του πλέγματος περικλείει και «δένει» τα ηλεκτρόνια σε ζεύγη που ταξιδεύουν μαζί με την ταλάντωση του κρυσταλλικού πλέγματος και

β) η ταλάντωση του πλέγματος αυτή που συνοδεύει το ζεύγος ηλεκτρονίων, περιγραφόμενη ως νέφος φωνονίων, προσδίδει στα ηλεκτρόνια ορμή με αποτέλεσμα το ρεύμα τους να μπορεί να διατηρείται επ' άπειρον ακόμα και μετά την απομάκρυνση της ηλεκτρεγερτικής δύναμης.

Υποσημειώσεις[]

Εσωτερική Αρθρογραφία[]

Φωνονική
σολιτόνιο
Φωνονικός Κρύσταλλος

Βιβλιογραφία[]

Ιστογραφία[]

Κίνδυνοι Χρήσης

Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες
σε αυτήν την εγκυκλοπαίδεια
ωστόσο, παρακαλούμε να λάβετε σοβαρά υπ' όψη ότι
η "Sciencepedia" δεν μπορεί να εγγυηθεί, από καμιά άποψη,
την εγκυρότητα των πληροφοριών που περιλαμβάνει.

"Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα
να έχουν αλλοιωθεί, βανδαλισθεί ή μεταβληθεί από κάποιο άτομο,
η άποψη του οποίου δεν συνάδει με το "επίπεδο γνώσης"
του ιδιαίτερου γνωστικού τομέα που σας ενδιαφέρει."

Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι
όλα τα άρθρα μπορεί να είναι ακριβή, γενικώς,
και για μακρά χρονική περίοδο,
αλλά να υποστούν κάποιο βανδαλισμό ή ακατάλληλη επεξεργασία,
ελάχιστο χρονικό διάστημα, πριν τα δείτε.

Επίσης,
Οι διάφοροι "Εξωτερικοί Σύνδεσμοι (Links)"
(όχι μόνον, της Sciencepedia
αλλά και κάθε διαδικτυακού ιστότοπου (ή αλλιώς site)),
αν και άκρως απαραίτητοι,
είναι αδύνατον να ελεγχθούν
(λόγω της ρευστής φύσης του Web),
και επομένως είναι ενδεχόμενο να οδηγήσουν
σε παραπλανητικό, κακόβουλο ή άσεμνο περιεχόμενο.
Ο αναγνώστης πρέπει να είναι
εξαιρετικά προσεκτικός όταν τους χρησιμοποιεί.

- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν

>>Διαμαρτυρία προς την wikia<<

- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)