Температура Дебая
Температу́ра Деба́я — температура, при которой возбуждаются все моды колебаний в данном твёрдом теле. Дальнейшее увеличение температуры не приводит к появлению новых мод колебаний, а лишь ведёт к увеличению амплитуд уже существующих, то есть средняя энергия колебаний с ростом температуры растёт.
Температура Дебая — физическая константа вещества, характеризующая многие свойства твёрдых тел — теплоёмкость, электропроводность, теплопроводность, уширение линий рентгеновских спектров, упругие свойства и т. п. Введена в научный оборот в 1912 году П. Дебаем в его теории теплоёмкости.
Температура Дебая определяется следующей формулой:
где — постоянная Планка, — максимальная частота колебаний атомов твёрдого тела, — постоянная Больцмана.
Температура Дебая приближённо указывает температурную границу, ниже которой начинают сказываться квантовые эффекты.
Физическая интерпретация
При температурах ниже температуры Дебая теплоёмкость кристаллической решётки определяется в основном акустическими колебаниями и, согласно закону Дебая, пропорциональна кубу температуры.
При температурах намного выше температуры Дебая справедлив закон Дюлонга-Пти, согласно которому теплоёмкость постоянна и равна , где количество элементарных ячеек в теле, — количество атомов в элементарной ячейке, — постоянная Больцмана.
При промежуточных температурах теплоёмкость кристаллической решётки зависит от других факторов, таких, как дисперсия акустических и оптических фононов, количество атомов в элементарной ячейке и т. д. Вклад акустических фононов, в частности, даётся формулой
- ,
где — температура Дебая, а функция
называется функцией Дебая.
При температурах намного ниже температуры Дебая, как указывалось выше, теплоёмкость пропорциональна кубу температуры
- .
Оценка температуры Дебая
При выводе формулы Дебая для определения теплоёмкости кристаллической решётки принимаются некоторые допущения, а именно принимают линейный закон дисперсии акустических фононов, пренебрегают наличием оптических фононов и заменяют зону Бриллюэна сферой такого же объёма. Если – радиус такой сферы, то , где – скорость звука, называется частотой Дебая. Температура Дебая определяется из соотношения
- .
Значения температуры Дебая для некоторых веществ приведены в таблице[1]:
|
|
|
Источники
- Ашкрофт, Мермин
- Debye Temperature | The Elements Handbook at KnowledgeDoor . KnowledgeDoor. Дата обращения: 8 февраля 2022.
- Tetsuya Tohei, Akihide Kuwabara, Fumiyasu Oba, Isao Tanaka. Debye temperature and stiffness of carbon and boron nitride polymorphs from first principles calculations // Physical Review B. — 2006-02-23. — Т. 73, вып. 6. — С. 064304. — doi:10.1103/PhysRevB.73.064304.
- Температура Дебая — статья из Большой советской энциклопедии.