(0) 이 주제는 물리학에서 다루어야 할 내용인 것 같습니다. 상식적인 수준에서 답하는 것이므로 오류가 있다면 지적해주세요
(1) Phonon은 고체물질 내부의 에너지(특히 진동이나 열)가 전달되는현상을 해석하기 위한 고체물질내의 가상의 입자라고 봅니다.
유체(기체,액체)의 에너지 전달방식은 대류 전도 복사의 세가지의 전달에 의해 이루어지는데 대류는 에너지를 가진 분자가 직접 위치를 이동하는 것이고 전도는 인근의 분자에 에너지를 전도하고 복사는 흡광영역의 빛이 매질을 통과하여 전하는 방식이지요. 그러나 고체물질내에서는 입자(분자 혹은 원자수준)들이 직접 격자위치를 유지하면서 에너지(빛, 진동)을 전달해야 하기 때문에 격자내에 입자들이 들어있다고 가정하여 이들 입자들의 거동에 의해 에너지가 전달된다고 봅니다. 에너지를 전달하는 입자들은 분자, 원자, 혹은 그 이하 수준의 입자들의 거동을 모두 거론해야 하겠지만 여기서는 진동이나 빛의 전파에 영향을 주는 수준의 입자만을 고려해보면 되고 이를 포논이라고 간주하는 것 같습니다.
(2) 고체물질 내에서는 에너지가 전달될 경우 원자가 진동하면서 옆의 원자에 전달하는데 그 모델을 스프링 중간 중간에 매달아둔 구슬 혹은 상자안에 듬성듬성 들어 있는 구슬이라고 생각해서 에너지의 전달 모델을 해석해 볼 것입니다.
이 모델은 간단하지만 이 구슬들의 거동해석 문제는 수세기 동안 그리고 현재까지도 물리학에서도 골치아픈 multi-body 해석문제가 될 것입니다. 일반물리에서 스프링에 구슬하나달랑 달린것의 시간에 따른 입자의 위치를 나타내는 관계식을 구하려면 파동방정식이라고 하는 미분방정식으로 풀어야 되는데 더구나 입자가 수 없이 많을 경우 이들이 격자내에서 제각각 진동하면서 옆구슬에 진동을 전달하는 것을 해석하는 것은 아마도 무척 복잡할 것으로 봅니다.
이제 그 고체물질의 결정격자의 한쪽 끝에서 충격을 주게되면 격자내의 입자들이 그 충격을 진동의 전파로 저달하게 되는데 각 입자들은 모두 탄성체라고 가정하고 또 격자 끝에서도 완전탄성체로 된 벽에 부딧쳐서 다시 그 파동이 되돌아 오고 이런 파동이 결정격자내에서 합성이 일어나 아주 복잡한 파형을 나타내면서 전달될 것으로 봅니다.
간단하게는 모든 입자가 동일한 질량과 크기를 가졌다고 생각하거나 서로 다른 질량의 입자의 혼합으로 되어 있다고 생각하여 그 파형의 모양과 전파속도를 알아보는 것이겠지요.
(3)여기까지는 진동의 해석모델을 생각해 본 것이나 광의 경우에는 원자의 특정파장의 에너지 흡수는 주로 전자의 에너지 증가로 이어지고 이 에너지를 격자 내에서 방출할 때 다시 다른 파장의 광으로 발산하기 때문에 더욱 복잡한 시스템이 될 것으로 봅니다.
필자도 이분야에 대해선 문외한이기 때문에 도움을 드리지 못합니다. 이곳에서 찾아보도록 하세요.
