Эйнштейн рассматривал кристалл как систему из N атомов, каждый из которых является квантовым гармоническим осциллятором (осциллятор - это физическая система, совершающая колебания). Колебания всех атомов происходят независимо друг от друга с одинаковой частотой ν. Средняя энергия < Е>, приходящая на одну степень свободы атома - гармонического квантового осциллятора:
. (5)
Внутренняя энергия моля твёрдого тела U = 3NA< E> = ,
отсюда молярная теплоёмкость твёрдого тела
. (6)
Этот результат качественно описывает зависимость С от Т, однако в области низких температур возникают расхождения с экспериментально полученными зависимостями С от Т.
Дебай развил теорию Эйнштейна. Он учёл, что:
1) колебания атомов в кристаллической решётке не являются независимыми и
2) основной вклад в энергию тепловых колебаний кристалла при низких температурах вносят колебания низких частот.
Таким образом, тепловое возбуждение твёрдого тела Дебай описал в виде упругих (звуковых) волн, распространяющихся в кристалле. Упругие волны в кристалле имеют квантовые свойства, проявляющиеся в том, что существует наименьшая порция - квант энергии волны с данной частотой ν. Упругим волнам в кристалле сопоставляют фононы, обладающие энергией Е = hν. Фонон есть квант энергии звуковой (упругой) волны. Фононы являются квазичастицами, ведущими себя подобно микрочастицам. Заметим, что квазичастицы, в частности, фононы, не могут возникать и распространяться в вакууме, они существуют только в среде. Таким образом, квантование упругих волн привело к представлениям о фононах подобно тому, как ранее квантование электромагнитного излучения привело к представлению о фотонах. ... остальная часть текста, формулы, таблицы, изображения скрыты