БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (КВ)

Квазиупру'гая си'ла,направленная к центру О сила F , величина которой пропорциональна расстоянию r от центра О до точки приложения силы; численно F = cr , где с — постоянный коэффициент. Тело, находящееся под действием К. с., обладает потенциальной энергией П = 1/ 2 cr 2. Название «К. с.» связано с тем, что аналогичным свойством обладают силы, возникающие при малых деформациях упругих тел (так называемые силы упругости). Для материальной точки, находящейся под действием К. с., центр О является положением устойчивого равновесия. Выведенная из этого положения точка будет совершать около О линейные гармонические колебания или описывать эллипс (в частности, окружность).

Квазичасти'цы(от квази ... и частицы), одно из фундаментальных понятий теории конденсированного состояния вещества, в частности теории твёрдого тела. Теоретическое описание и объяснение свойств конденсированных сред (твёрдых тел и жидкостей), исходящее из свойств составляющих их частиц (атомов, молекул), представляет большие трудности, во-первых, потому, что число частиц огромно (~ 10 22частиц в 1 см 3), и, во-вторых, потому, что они сильно взаимодействуют между собой. Из-за взаимодействия частиц полная энергия такой системы, определяющая многие её свойства, не является суммой энергий отдельных частиц, как в случае идеального газа. Частицы конденсированной среды подчиняются законам квантовой механики; поэтому свойства совокупности частиц, составляющих твёрдое тело (или жидкость), могут быть поняты лишь на основе квантовых представлений. Развитие квантовой теории конденсированных сред привело к созданию специальных физических понятий, в частности к концепции К. — элементарных возбуждений всей совокупности взаимодействующих частиц. Особенно плодотворные результаты концепция К. дала в теории кристаллов и жидкого гелия .

Свойства квазичастиц.Оказалось, что энергию E 0кристалла (или жидкого гелия) можно приближённо считать состоящей из двух частей: энергии основного (невозбуждённого) состояния E 0(наименьшая энергия, соответствующая состоянию системы при абсолютном нуле температуры) и суммы энергий E lэлементарных (несводимых к более простым) движений (возбуждений):

E = E 0+

Индекс l характеризует тип элементарного возбуждения, n l— целые числа, показывающие число элементарных возбуждений типа l.

Т. о., энергию возбуждённого состояния кристалла (гелия) оказалось возможным записать так же, как и энергию идеального газа, в виде суммы энергий. Однако в случае газа суммируется энергия его частиц (атомов и молекул), а в случае кристалла суммируются энергии элементарных возбуждений всей совокупности атомов (отсюда термин «К.»). В случае газа, состоящего из свободных частиц, индекс l обозначает импульс р частицы, E l — её энергию E l= p 2/2 m , m — масса частицы), n l — число частиц, обладающих импульсом р . Скорость u = p / m .

Элементарное возбуждение в кристалле также характеризуют вектором р , свойства которого похожи на импульс, его называют квазиимпульсом. Энергия E lэлементарного возбуждения зависит от квазиимпульса, но эта зависимость E l( p ) носит не такой простой характер, как в случае свободной частицы. Скорость распространения элементарного возбуждения также зависит от квазиимпульса и от вида функции E l( p ). В случае К. индекс l включает в себя обозначение типа элементарного возбуждения, поскольку в конденсированной среде возможны элементарные возбуждения, разные по своей природе (аналог — газ, содержащий частицы различного сорта).

Введение для элементарных возбуждений термина «К.» вызвано не только внешним сходством в описании энергии возбуждённого состояния кристалла (или жидкого гелия) и идеального газа, но и глубокой аналогией между свойствами свободной (квантовомеханической) частицы и элементарным возбуждением совокупности взаимодействующих частиц, основанной на корпускулярно-волновом дуализме . Состояние свободной частицы в квантовой механике описывается монохроматической волной (см. Волны де Бройля ), частота которой , а длина волны p ( E и — энергия и импульс свободной частицы, — Планка постоянная ). В кристалле возбуждение одной из частиц (например, поглощение одним из атомов фотона ), приводящее из-за взаимодействия (связи) атомов к возбуждению соседних частиц, не остаётся локализованным, а передаётся соседям и распространяется в виде волны возбуждений. Этой волне ставится в соответствие К. с квазиимпульсом и энергией E = h w( k ) ( k — волновой вектор, длина волны l = 2p/ k ).

Зависимость частоты от волнового вектора к позволяет установить зависимость энергии К. от квазиимпульса. Эта зависимость E l = E ( p ) называют законом дисперсии, является основной динамической характеристикой К., в частности определяет ее скорость . Знание закона дисперсии К. позволяет исследовать движение К. во внешних полях, К., в отличие от обычной частицы, не характеризуется определённой массой, Однако, подчёркивая сходство К. и частицы, иногда удобно вводить величину, имеющую размерность массы. Её называют эффективной массой m эф. (как правило, эффективная масса зависит от квазиимпульса и от вида закона дисперсии).

Всё сказанное позволяет рассматривать возбуждённую конденсированную среду как газ К. Сходство между газом частиц и газом К. проявляется также в том, что для описания свойств газа К. могут быть использованы понятия и методы кинетической теории газов, в частности говорят о столкновениях К. (при которых имеют место специфические законы сохранения энергии и квазиимпульса), длине свободного пробега, времени свободного пробега и т.п. Для описания газа К. может быть использовано кинетическое уравнение Больцмана. Одно из важных отличительных свойств газа К. (по сравнению с газом обычных частиц) состоит в том, что К. могут появляться и исчезать, т. е. число их не сохраняется. Число К. зависит от температуры. При Т = 0 К квазичастицы отсутствуют. Для газа К. как квантовой системы можно определить энергетический спектр (совокупность энергетических уровней) и рассматривать его как энергетический спектр кристалла или жидкого гелия. Разнообразие типов К. велико, т.к. их характер зависит от атомной структуры среды и взаимодействия между частицами. В одной и той же среде может существовать несколько типов К.