Modèle d'Einstein

En physique statistique et en physique du solide, le modèle d'Einstein est un modèle servant à décrire la contribution des vibrations du réseau à la capacité calorifique d'un solide cristallin.



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En physique statistique et en physique du solide, le modèle d'Einstein est un modèle servant à décrire la contribution des vibrations du réseau à la capacité calorifique d'un solide cristallin. Il est basé sur les hypothèses suivantes :

Ce modèle est appelé selon Albert Einstein, qui l'a proposé en 1907[1].

Énergie interne

Les vibrations du réseau cristallin sont quantifiées[2], c'est-à-dire que les énergies de chaque mode normal de vibration ne peuvent prendre que des valeurs discrètes \hbar\omega_E. Ce modèle repose par conséquent sur la dualité onde-particule des phonons et sur le fait que les 3N oscillateurs harmoniques[3] vibrent à la même fréquence, de manière isotrope.

L'énergie interne U du solide est donnée par la formule :

U = \frac{3N\hbar\omega_E}{eˆ{\beta\hbar\omega_E}-1}

où ℏ est la constante de Planck réduite, ωE est la pulsation d'un oscillateur, N le nombre d'atomes qui forment le dispositif et \beta = \frac{1}{k_{B}T}kB est la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Capacité calorifique

La capacité calorifique CV est définie par :

C_V = \left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V

avec \; U = 3N\bar{\epsilon} = \frac{3N\hbar\omega_E}{eˆ{\beta\hbar\omega_E}-1}\,, on obtient

C_V = \frac{3N\hbarˆ2\omega_Eˆ2}{k_B Tˆ2} \cdot \frac{eˆ{\beta\hbar\omega_E}}{\left(eˆ{\beta\hbar\omega_E}-1\right)ˆ2} = (\beta\hbar\omega_E)ˆ2 \cdot \frac{3Nk_{B}eˆ{\beta\hbar\omega_E}}{\left(eˆ{\beta\hbar\omega_E}-1\right)ˆ2}

On peut définir la température d'Einstein comme \Theta_E=\frac{\hbar\omega_E}{k_B}. Tout cela nous donne C_V\left(T\right) = 3Nk_B\cdot\left(\frac{\Theta_E}{T}\right)ˆ2\cdot\frac{\exp\left(\frac{\Theta_E}{T}\right)}{\left[\exp\left(\frac{\Theta_E}{T}\right)-1\right]ˆ2}

Résultats du modèle

La capacité calorifique obtenue à l'aide du modèle d'Einstein est une fonction de la température. La valeur expérimentale de 3Nk est retrouvée pour des températures élevées.

Le modèle d'Einstein retrouve la loi de Dulong et Petit, pour les hautes températures :

\lim_{T \to +\infty} C_V = 3Nk_B

Cependant, à basse température, ce modèle concorde moins avec les mesures expérimentales que celui de Debye :
Quand T \rightarrow 0\text{ : }C_V\propto 3Nk_B \left(\frac{\Theta_E}{T} \right)ˆ2 eˆ{-\Theta_E/T}\rightarrow 0
Cette discordance avec l'expérience peut s'expliquer en abandonnant l'hypothèse selon laquelle les oscillateurs harmoniques vibrent à la même fréquence.

Voir aussi

Bibliographie


Notes et références de l'article

  1. (de) Albert Einstein, «Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Wärme», dans Annalen der Physik, vol.  22, 1907, p.  180 [texte intégral]
  2. Cette quantification est due aux conditions aux limites imposées au solide.
  3. On modélise les N atomes qui forment le solide par 3N oscillateurs harmoniques quantiques à une dimension.
  4. À 0 K, l'ensemble des oscillateurs sont dans un même état (n=0). Si l'ensemble des états atomes étaient au repos, leur position et leur vitesse seraient bien déterminées (\vec{r} = \vec{0} et \vec{p}=\vec{0}) ce qui serait en contradiction avec le principe d'incertitude d'Heisenberg.
  5. L'énergie interne est égale au nombre d'oscillateur multipliée par l'énergie d'un seul oscillateur.

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