Phononen

Zusammenfassung

Die systematische Untersuchung von isolierenden Festkörpern bei tiefen Temperaturen begann am Ende des 19. Jahrhunderts mit den Experimenten von Weber, Behn und Dewar zur spezifischen Wärme [156, 157, 158]. Ihre Beobachtung, daß die spezifische Wärme fester Stoffe mit abnehmender Temperatur nicht konstant ist, wie nach dem Äquipartitionsgesetz erwartet [159], sondern deutlich abnimmt, erschien dabei zunächst völlig unverständlich. Einstein erkannte 1906, daß die Abnahme der spezifischen Wärme bei tiefer Temperatur durch die Quantelung der Energie bedingt ist [160]. In seinem Modell beschrieb er die Schwingungen der Atome in Festkörpern als ungekoppelte, harmonische Oszillatoren mit quantisierten Niveaus. Obwohl der generelle Verlauf der spezifischen Wärme von Festkörpern in diesem Modell richtig wiedergegeben wurde, zeigte sich später, daß die Annahme von ungekoppelten Oszillatoren eine zu grobe Näherung ist [161]. Modelle, die diesem Problem Rechnung tragen, wurden 1912 von Born und v. Kármán [162] sowie von Debye [163] vorgeschlagen. In beiden Ansätzen wird die Kopplung zwischen den Atomen berücksichtigt und damit das Spektrum der Anregungen zu kleinen Frequenzen erweitert. Born und v. Kármán gingen dabei von der diskreten atomaren Struktur und den interatomaren Kräften aus. Im Modell von Debye werden nicht Schwingungen einzelner Atome, sondern (kollektive) Schwingungszustände des gesamten Kristallgitters betrachtet. Auch in diesem Fall sind die Anregungen quantisiert. In Analogie zu den Schwingungsquanten des elektromagnetischen Feldes, den Photonen, bezeichnet man die Schwingungsquanten des elastischen Feldes als Phononen.