2-3. 포논 — 격자 진동과 소리의 물리학
원자는 가만히 있지 않는다
철로 위에 귀를 대면, 멀리서 다가오는 기차 소리를 공기 중보다 훨씬 먼저 들을 수 있다는 이야기를 들어본 적이 있는가? 서부 영화에서 인디언 정찰병이 땅에 귀를 대고 말발굽 소리를 감지하는 장면도 있다. 왜 고체를 통해서 소리가 더 빨리 전달될까?
더 놀라운 질문이 있다. 소리란 도대체 무엇인가? 공기 중의 소리가 공기 분자의 진동이라는 것은 알고 있을 것이다. 그렇다면 고체 속의 소리는? 고체 안에는 공기가 없다. 고체를 이루는 원자들이 진동하는 것이다.
앞 절(2-1, 2-2)에서 우리는 결정이 원자의 규칙적 배열이라는 것을 배웠고, X선 회절로 그 배열을 알아내는 방법도 배웠다. 하지만 지금까지의 그림에는 한 가지가 빠져 있었다. 우리는 마치 원자들이 격자점에 얼어붙은 듯 고정되어 있는 것처럼 이야기했다.
실제로는 전혀 그렇지 않다.
절대영도(0 K, °C)가 아닌 이상 — 그리고 양자역학에 따르면 절대영도에서조차! — 결정 속의 원자들은 자신의 평균 위치 주변에서 끊임없이 떨고 있다. 상온에서 고체 속 원자의 진동 진폭은 대략 원자 간 거리의 약 5~10% 정도이다. 작은 떨림이지만, 이 떨림이 고체의 거의 모든 열적 성질을 지배한다.
그리고 이 떨림은 혼자만의 떨림이 아니다. 한 원자가 흔들리면 이웃 원자도 흔들리고, 그 이웃도 흔들린다. 파동처럼 퍼져나가는 격자의 집단적 진동 — 이것을 물리학자들은 포논(phonon)이라고 부른다.
핵심 질문: 결정 격자의 진동은 어떻게 파동이 되는가? 이 진동이 소리, 열, 비열과 어떻게 연결되는가?
