- Phonon
- Pho|non 〈n. 27〉 = Fonon
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Pho|non [griech. pho̅né̄ = Laut, Ton, Stimme, Sprache; ↑ -on (3)], das; -s, …no|nen; Syn.: Schallquant: Bez. für die Energie quantenmechanischer Schwingungen, insbes. der Gitterschwingungen krist. Systeme. Die als Quasiteilchen betrachteten P. dienen – in mathematischen Modellen – dem Verständnis der Supraleitungsphänomene u. zur Berechnung der Wärme- u. Schwingungseigenschaften der Festkörper.* * *
Phonondas, -s/...'nonen, eine Elementaranregung der Gitterstruktur eines Festkörpers (Schallquant); Phononen erhält man als Energiequanten der Gitterschwingungen eines Kristalls, wenn man dessen Normal- oder Eigenschwingungen quantisiert. Als kollektive Anregung der Gesamtheit der Atome, Ionen oder Moleküle des Gitters sind Phononen im Festkörper delokalisiert, lassen sich aber als Quasiteilchen behandeln, für die bei Wechselwirkungsprozessen Impuls- und Energieerhaltung gelten. Ihrem quantenmechanischen Charakter nach gehören Phononen zu den Bosonen (Spin = 0) und unterliegen der Bose-Einstein-Statistik. Sind beim Schwingungsvorgang jeweils benachbarte Gitterbausteine in die gleiche Richtung ausgelenkt, bezeichnet man die zugehörigen Normalschwingungen als akustische Phononenzweige (akustische Phononen). In polaren Medien, z. B. Ionenkristallen, können die unterschiedlich geladenen Bausteine gegeneinander (gegenphasig) schwingen, und es liegen optische Phononenzweige vor (optische Phononen). Zusätzlich unterscheidet man nach der Art der Gitterschwingung transversale und longitudinale Phononenzweige. Ein Phonon des j-ten Zweiges mit Wellenvektor q besitzt die Frequenz ωj (q) (Dispersionsrelation) und trägt die Energie h̶ω j (q) (h̶ = h / 2π, h plancksches Wirkungsquantum). Die Gruppengeschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit bei akustischen Phononen) ist dann vj (q) = gradqω j (q).Das Konzept der Phononen erlaubt u. a. die Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der molaren Wärmekapazität CV von Kristallen (CV ∼ T3, Debye-Theorie). Da die Quantisierung der Gitterschwingungen innerhalb der harmonischen Näherung stattfindet, äußern sich anharmonische Effekte in den Schwingungen als Phonon-Phonon-Wechselwirkung. Die daraus resultierenden Mehrphononenprozesse (»Umklappprozesse«, Quasiimpuls) führen zur thermischen Ausdehnung von Festkörpern und tragen zur Wärmeleitung bei (endliche mittlere Weglänge der Phononen). Phononen erlangen außerdem über die Elektron-Phonon-Wechselwirkung Bedeutung (elektrischer Widerstand, Supraleitung). Die Kopplung optischer Phononen an Photonen (Lichtquanten) ergibt phononische Polaritonen als neue Quasiteilchen. Experimentelle Methoden der Phononenspektroskopie zur Bestimmung der Dispersionsrelationen u. a. Eigenschaften sind die unelastische Streuung thermischer Neutronen (Neutronenbeugung), die Raman-Spektroskopie (Raman-Effekt) und die Infrarotspektroskopie.
Universal-Lexikon. 2012.
