固体比热容

Dulong–Petit

理想固体模型,每个振动自由度能量εv=p22m+mω2q22,具有两个正平方项,

由能量均分定理,每个正平方项平均能量为 kBT/2εv=kBT

N原子固体具有3N63N个振动自由度,因此比热容为

C=3NkB

Einstein

振动同频假设,一维振子能量本征值En=(n+12)ω

配分函数Z1D=neβEn=1/2sinh(βω/2)Z3D=(Z1D)3

E/N=3Z1DZ1Dβ=3(nB(βω)+12)ω

玻色占有数因子nB(x)=1/(ex1),因此比热容为

C=ET=3NkB(βω)2eβω(eβω1)2

爱因斯坦温度ω=kBTEinstein

Debye

周期性边界条件k=2π(n1,n2,n3)L,连续化kL3(2π)3dk
各向同性假设k=ωv,状态数密度0ωdg(ω)dω=3N

E=L3(2π)33(nB(βω(k))+12)ω(k)dk=0ωd(nB(βω)+12)ωg(ω)dω

德拜频率ωd3=6π2nv3,状态数密度g(ω)=N9ω2ωd3

E=9Nωd30ωdω3dωeβω1+T=9N(kBT)4(ωd)30xdx3dxex1+T

低温xd=ωdkBT0xdx3dxex13!ζ(4)=π415
德拜温度ωd=kBTDebye

C=3NkB(TTDebye)34π45T3

高温xd=ωdkBT00ωd9Nω3dωωd3(eβω1)=3NkBT
比热容回归Dulong–Petit定律

Drude Theory

假设

1. 电子具有特征散射时间 τ,其在时间dt内被散射的概率为dtτ

2. 电子被散射后动量变为零

3. 在两次散射间隔之内电子仅受外部电磁场影响

由上述假设有

p(t+dt)=(1dt/τ)(p(t)+Fdt)

dpdt=FpτF=e(E+v×B)

在无外场条件下电子动量期望随时间指数衰减

电磁场

稳态下p˙=0

若只存在电场,p=eτE

设电子数密度为n,质量为m,可求出电导率 σ=ne2τm

若存在电磁场,假设磁场方向沿z^

E=mne2τj+1nej×B=ρj

ρ=(mne2τBne0Bnemne2τ000mne2τ)

σ=ρ1=(ne2τm(1+B2e2τ2m2)ne2τm(mBeτ+Beτm)0ne2τm(mBeτ+Beτm)ne2τm(1+B2e2τ2m2)000ne2τm)

霍尔系数

RH=ρyxB=1ne

热传导

jT=κT

热导率公式,散射长度λ=vτ,式中v2也可用v2替代

κ=13ncvvλ=4πnτkB2Tm

Wiedemann–Franz

L=κTσ=4π(kBe)20.94×108V2/K2

Sommerfeld Theory

Fermi–Dirac Statistics

占有数因子

nF=1eβ(Eμ)+1

定义费米能 EFT=0 时化学势,此时占有数因子为阶跃函数,电子均匀分布在自由电子费米球|k|<kF

EF=2kF22mTF=EFkB

连续化kσ=2V(2π)3dk,电子总数

N=2V(2π)30kFdk=VkF33π2

kF=(3π2n)1/3EF=2(3π2n)2/32m

电子比热容

能量

E=2V(2π)30ϵ(k)nF(k)dk=2V(2π)302k22m1exp(β2k22mβμ)+1dk=(2m2)3/2V2π20ϵ3/2dϵeβ(ϵμ)+1T03NkBT20y3/2dyeTF/T(y1)+1

比热容

C=π2NkB2TTF

低温下晶体总比热容

C=αT3+βT