交互式物理实验 · 01

看见原子之间的协奏

从一个波矢出发,探索一维双原子链的声学支与光学支。

一维晶格 / 简谐近似

原子链 · 实时振动

纵向位移 · 12 个原胞 · 无限链的局部视窗
正在演奏
重原子 M轻原子 m+ 平衡位置

色散关系

点击或拖动曲线,选择波矢与分支
声学支光学支

01 / 空间节奏

波矢决定相邻原胞的相位

|k| 越大,波长 λ = 2π/|k| 越短。到区边界,相邻原胞的相位相差 π,振动方向交替。改变 k 的符号会反转行波的传播方向,频率不变。

02 / 两种协作

一个波矢,两种振动模式

长波极限下,声学支的两种原子近乎同向运动;光学支则反向运动。离开区中心后,还必须考虑原胞内部的位置相位与振幅变化。

03 / 时间节奏

频率由分支共同决定

从区中心走向区边界,声学支频率升高,光学支频率降低。质量不同时,两支之间存在频率间隙;区边界处,一种原子振动,另一种静止。

展开模型假设、运动方程与频率公式

无限长交替原子链;重原子位于 na,轻原子位于 na + a/2;原胞长度为 a,最近邻弹簧劲度均为 C。仅考虑沿链方向的小振幅简谐振动,无阻尼。质量比 M/m > 1。

ω²± = C(1/M + 1/m) ± C √[(1/M + 1/m)² − 4 sin²(ka/2)/(Mm)]

负号对应声学支,正号对应光学支。动画使用 uₙ = U cos(kna − ωt),vₙ = V cos[k(na + a/2) − ωt],其中 (2C − Mω²)U = 2C cos(ka/2)V。每个模式统一归一化最大振幅,保留两种原子的相对振幅。

k = 0:声学支 ω = 0,是整体平移的零频模式;光学支满足 MU + mV = 0。|k| = π/a:声学支 ω = √(2C/M),仅重原子运动;光学支 ω = √(2C/m),仅轻原子运动。

参考:Rutgers · 一维双原子链课程资料 ↗