फोनॉन

फोनॉन : विद्युत् चुंबकीय तरंगांशी (प्रकाश तरंगांशी) निगडित असलेला जसा ⇨ फोटॉन हा ऊर्जा पुंज (पुंजकण) आहे, त्याचप्रमाणे स्थितिस्थापकीय तरंगांशी [ उदा., ध्वनितरंगांशी⟶तरंग गति ] निगडित असलेला फोनॉन हा ऊर्जा पुंज (सर्वांत लहान अविभाज्य ऊर्जा राशी) होय. इलेक्ट्रॉनांचे (व इतर कणांचेही) ऊष्मीय तरंगांकडून (लहान तरंगलांबीच्या ध्वनितरंगांकडून) जेव्हा प्रकीर्णन (विखुरणे) होते तेव्हा त्यासाठी काही विशिष्ट अटींची पूर्तता व्हावी लागते. या अटींचे एकूण स्वरूप असे आहे की, ऊर्जा व संवेग (वस्तुमान व वेग यांच्या गुणाकाराने निर्देशित होणारी राशी) यांच्या अक्षय्यतेचे कणांना लागू पडणारे सिद्धांत जणू काही त्या तरंगांनाहीलागू पडतात. या आविष्कारातून फोनॉनाच्या कल्पनेचा उगम झाला. ⇨पुंजयामिकीनुसार अशा तरंगांच्या ऊर्जेचेही पुंजीकरण झाले पाहिजे (ऊर्जा अलग अलग गठ्‍ठ्यांच्या-पुंजांच्या-स्वरूपात वितरित झालेली असली पाहिजे). v या कंप्रतेच्या (एका सेकंदात होणाऱ्या कंपनांच्या संख्येच्या) किंवा ω (= 2π v)या कोनीय कंप्रतेच्या तरंगांच्या प्रत्येक फोनॉनाची ऊर्जा E = ħv= hω ( (h = माक्स 

पदार्थांची ऊष्मीय संवाहकता [⟶उष्णता संवहन ], विशिष्ट उष्णता (१ग्रॅम पदार्थांचे तापमान १° से. वाढविण्यासाठी त्याला द्यावी लागणारी उष्णता व १ ग्रॅम संदर्भ पदार्थाचे-सामान्यतःपाण्याचे तापमान १° से.वाढविण्यास लागणारी उष्णता यांचे गुणोत्तर) इत्यादींसंबंधीच्या सैध्दांतिक चर्चेत फोनॉनाच्या कल्पनेचा विशेष उपयोग होतो. 

घन पदार्थाच्या एखाद्या स्फटिकाला उष्णता दिल्यास तिचे सामान्यतःदोन परिणाम होतात. धातूसारख्या घन पदार्थातील मुक्त इलेक्ट्रॉनांची सरासरी ऊर्जा वाढते. त्याचबरोबर स्फटिक जालकातील अणूंची किंवा आयनांची (विद्युत् भारित अणू किंवा अणुगटांची) आंदोलने जास्त जोरदार होऊ लागतातपरंतु हे अणू परस्परांशी आंतर आणवीय प्रेरणांनी बद्ध असल्यामुळे त्यांची अलग अलगपणे आंदोलने होत नाहीत. तर त्यांच्यामध्ये एक प्रकारचे अप्रगामी (पुढे न जाणारे) म्हणजेच स्थिरतरंग [⟶तरंग गति ] निर्माण होतात. हे तरंग अवतरंग (ज्यांत माध्यमाच्या कणांचे कंपन तरंग प्रसारणाच्या दिशेशी लंब दिशेत होते असे तरंग) किंवा अनुतरंग (ज्यांत माध्यमाच्या कणांचे कंपन तरंग प्रसारणाच्या दिशेतच होते असे तरंग) यांपैकी कोणत्याही प्रकारचे असू शकतात. तत्संबंधित फोनॉनांना अनुक्रमे अवतरंग शाखेचे (T शाखेचे) किंवा अनुतरंग शाखेचे (L शाखेचे) फोनॉन असे म्हणतात. फोनॉनांचे प्रकाशीय शाखा (Optical-O शाखा) व ध्वनीय शाखा (Acoustical – A शाखा) असेही वर्गीकरण करतात. जेव्हा अणूंची आंदोलने ध्वनितरंगातील आंदोलनांसारखीच असतात तेव्हा तत्संबंधित फोनॉनांना ध्वनीय शाखेचे फोनॉन असे म्हणतात. प्रकाशीय फोनॉनांच्या बाबतीत पदार्थातील अणूंची आंदोलने अशा प्रकारे होतात की, स्फटिकाच्या कोशाचे (संरचनात्मक एकक असणाऱ्या आणवीय सांगाड्याचे) किंवा रेणूचे वस्तुमान केंद्र अचल राहते. प्रकाशाचे शोषण करून स्फटिकात अशा प्रकारची आंदोलने प्रस्थापित होऊ शकतात. यावरून त्यांना प्रकाशीय हे नाव देण्यात आले. अशा तऱ्‍हेने फोनॉनांचे LO, TO, LA व TA असे चार मुख्य वर्ग होतात.

  फोनॉनांचे प्रकीर्णन : उष्णतेमुळे स्फटिकातील अणूची आंदोलने होतात. ही आंदोलने विशिष्ट फोनॉनांच्या स्फटिकामधील संचरणानेही व्यक्त करता येतात. स्फटिकातून प्रवास करताना या फोनॉनांच्या गतीला वेगवेगळ्या कारणांनी अडथळे येतात व त्यामुळे फोनॉनांचे प्रकीर्णन होते. या प्रकीर्णनाचे काही प्रकार पुढीलप्रमाणे आहेत : (१) दोन फोनॉनांमधील परस्पर क्रियेमुळे होणारे प्रकीर्णन. (२) स्फटिकातील अपद्रव्ये, स्फटिक संरचनेतील दोष किंवा स्फटिकातील नैसर्गिक मूलद्रव्यांच्या समस्थानिकीय (अणुक्रमांक तोच पण भिन्न अणुभार असलेल्या त्याच मूलद्रव्यांच्या प्रकारांच्या) द्रव्यमानांचे वितरण यांमुळे होणारे प्रकीर्णन. (३) धातूमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन व फोनॉन यांच्यामधील परस्पर क्रियेमुळे दोघांचेही होणारे प्रकीर्णन. या प्रकीर्णनाचा धातूंच्या विद्युत् व ऊष्मीय संवाहकतेवर परिणाम होतो.

धातूमधील उष्णतेचे संवहन बव्हंशी मुक्त इलेक्ट्रॉनांकरवी होतेपरंतु अधातूमधील उष्णतेचे संवहन फोनॉनांच्या मार्फत होते. फोनॉनांशी होणाऱ्या इलेक्ट्रॉनांच्या टकरींमुळे विद्युत् प्रवाहाला रोध उत्पन्न होतो.  

पहा : घन अवस्था भौतिकी.

संदर्भ : Kittel, C Introduction to Solid State Physics, Bombay, 1964.

पुरोहित, वा. ल.

“