[拼音]:Debai moxing
[外文]:Debye model
P.J.W.德拜提出的计算固体热容的原子振动模型。1912年,德拜改进了爱因斯坦模型,考虑热容应是原子的各种频率振动贡献的总和,得到了同实验结果符合得很好的固体热容公式。
德拜模型把原子排列成晶体点阵的固体看作是一个连续弹性媒质,原子间的作用力遵从胡克定律,组成固体的 N个原子在三维空间中集体振动的效果相当于3N个不同频率的独立线性振子的集合。每一个独立谐振子的振动是一种简正振动模式,弹性媒质的一种简正振动模式是具有一定频率、波长和传播方向的弹性波。弹性固体能够以不同的速度传播纵、横两种波。对于每一个振动频率,纵波只有在传播方向的一种振动,横波有两种垂直于传播方向的振动(两个偏振),共三个振动模式。为把固体看作是连续的弹性媒质,德拜模型只考虑那些频率非常低(近似取为零)直到极限频率vm范围内的振动模式。由于N的数目很大,3N种振动频率可看作是连续分布在零到vm区间内,则3N个不同频率的独立谐振子的总能量就由分立的求和变为积分
,
Uo是同温�任薰氐某J� ρ(v)称频率分布函数。用热力学关系
,由点阵振动导致的固体的定容热容是
。
ρ(v)的形式是
其中V是固体的体积,с1、сt分别是固体中纵波和横波的传播速度。由条件
可得到德拜最大频率是
,
而ρ(v)就可写成
。令x=hv/kT, 便导出了固体的摩尔热容
,
其中嘷D=hvm/k称德拜温度。
上式在T
嘷D时导出
=3R(R是摩尔气体常数),就是经典结果;当T
嘷D时,可得
,
随着T→0,
按T3趋于零。对中间温度区域,则需用数值计算求积分值。对于一些简单结构的固体,其热容的理论曲线同实验结果的比较见图。图中同时画出了杜隆-珀替定律的曲线(图中虚线)。可见,德拜模型导出的热容公式同实验符合得很好。
根据量子论,德拜所考虑的弹性波的简正振动能量也是量子化的,是最小能量hv的倍数。弹性波的这一最小能量称为声子,它是固体原子系统的集体激发模式,可看作是在点阵中传播的具有一定能量和运动方向的准粒子。把弹性声波场当作声子系统处理后,再把普朗克公式运用到固体点阵振动上,频率为v的振子振动的平均能量就是
,那么3N个不同频率的独立谐振子的总能量是各振子平均能量的和。
德拜模型不能用于以下几种情况:
(1)较复杂的分子,特别是高度各向导性晶体,前述的频率分布函数不适用时;
(2)波长同点阵间距离可比拟,破坏了连续媒质的设想时;
(3)极低温度下,电子参与对热容贡献并起主要作用时(见电子比热容)。