원자들의 집단 운동
결정의 원자들은 평형 위치 주변에서 진동하며 이웃 원자와 상호작용한다. 따라서 한 원자의 변위는 주변의 운동과 연결된다. 이를 서로 독립적인 정상모드들의 합으로 바꾸고 각 모드의 에너지를 양자 단위로 다루면 포논이라는 표현을 얻는다.
진동수와 에너지
각진동수 ω인 모드에서 포논 하나가 더해질 때 에너지는 ℏω만큼 증가한다. 같은 물질 안에서도 모드마다 진동수와 원자들의 운동 패턴이 다르다. 포논을 특정 원자 한 개와 일대일로 대응시키거나 모든 포논이 같은 에너지를 갖는다고 생각하면 안 된다.
광자와 구별
포논과 광자는 모두 양자화된 모드를 입자처럼 다루는 표현이지만 포논은 물질 내부의 집단적인 진동에 해당한다. 결정 격자 없이 진공을 이동하는 빛의 광자와 같은 기본 입자로 취급하지 않는다. 이름이 비슷해도 무엇이 진동하는지와 전파되는 매질이 다르다.
열적 성질 설명
온도가 바뀌면 격자 진동 모드들의 들뜸이 달라져 내부에너지와 열용량이 변한다. 원자들의 실제 배열은 여러 진동수를 만들기 때문에 단일 진동수 근사와 연속적인 저주파 모드를 포함하는 근사의 예측이 다르다. 아인슈타인 모형과 드바이 모형은 그 차이를 보여 주는 대표적인 접근이다.