Cours de physique Berkeley, tome 5 : physique statistique

BERKELEY
Cours de
physique
S. physique statistique
Frederick Reif
Professeur de physique
àl'université de Californie. Berkeley
Traduit de l'anglais par
Pierre T\iron
Maître-assistant
àl'université Paris-VII
DUNOD

Parmi les cours d’initiation àla physique élaborés récemment, présentant
la physique moderne sous une forme accessible aux débutants, deux cours
ont acquis dans les pays anglo-saxons une renommée justifiée, les «Feynman
lectures in Physics »et le «Berkeley Physics Course ». L’un et l’autre méritent
d’être mis àla portée de l’étudiant français qui désire s’initier àla Physique
du xxesiècle.
Nos étudiants ont certes à leur disposition, àl’heure actuelle, d’excellents
cours français. Conformément au génie français, le sujet d’études yest
présenté avec un souci de rigueur logique. Le scientifique anglo-saxon est
généralement beaucoup plus pragmatique que son collègue latin. Il se tient
toujours très près de l’expérience et cette tournure d’esprit se manifeste aussi
dans les ouvrages pédagogiques anglo-saxons. L’œuvre de Newton complète
heureusement l’œuvre de Descartes.
Au cours de ma longue expérience de l'enseignement de la physique,
j’ai toujours estimé que l'étudiant devait être amené àse servir de sources
d'infonnation d'origines diverses. J’ai conseillé àmes étudiants de ne pas
s’en tenir àétudier leurs cours, mais d’entreprendre la lecture de divers
ouvrages didactiques et de lire notamment des auteurs étrangers. Pour ma
propre formation, la lecture du livre de Physique atomique de Sommerfeld
aété décisive.
Les éditions Armand Colin ont entrepris de mettre àla disposition de
l’étudiant français le cours de Physique de Berkeley. Ce cours aété édité en
cinq volumes, dont voici le cinquième, consacré àl’initiation àla physique
statistique et àla thermodynamique. Les chapitres de ce cours ont été rédigés
par de grands noms de la physique, par des hommes connus pour leur œuvre
personnelle et qui ont su donner àce cours une marque originale en montrant
le rôle que jouent les concepts fondamentaux dans la physique qui se fait de
nos jours. Ils font comprendre au lecteur que la Physique est une science
vivante, une activité humaine en plein développement qui offre aux jeunes
un champ inépuisable de recherches.
Pierre Turon qui est àla fois un chercheur et un enseignant s’est chargé de
la traduction de ce volume. Ayant travaillé aux États-Unis, il yaacquis la
pratique de la langue anglaise et une solide connaissance des Universités
américaines et des méthodes d’enseignement qui ysont pratiquées.
A. Kastler
Prix Nobel de Physique 1966
V

Ceci est un cours de licence pour les étudiants qui se spécialisent en sciences
et dans le métier d’ingénieur. Les auteurs ont eu l'intention de présenter
la physique élémentaire autant que possible de la façon dont elle est utilisée
par les physiciens qui travaillent sur des sujets àl’avant-garde de leur
domaine. Nous avons cherché àfaire un cours qui mettrait vigoureusement
l’accent sur les fondations de la physique. Plus spécialement, nous avons
eu pour but d’introduire de façon cohérente dans un programme élémen-
taire, les notions de la relativité spéciale, de la physique quantique et de la
physique statistique.
Ce cours est conçu pour tout étudiant qui asuivi des cours de physique
au lycée. Il faudrait suivre, en même temps que le cours, un cours de mathé-
matiques qui comprenne l’analyse.
Dans le domaine de la physique, on est en train de concevoir plusieurs
cours de licence. L’idée d’un nouveau cours est venue àbeaucoup de physi-
ciens, conscients des besoins requis àla fois pour faire avancer la science
et les techniques des ingénieurs, et pour mettre plus l’accent sur les sciences
dans les collèges et les lycées. Notre propre cours fut conçu au cours d’une
conversation entre Philip Morrison de Cornell University et C. Kjttel.
àla fin de 1961. Nous avons été encouragés par John Mays et ses collègues
de la National Science Foundation, et par Walter C. Michels alors prési-
dent de la Commission de la Physique universitaire. On forma un comité
informel pour guider le cours dans ses premières phases. Al’origine, le
comité était formé de Luis Alvarez, William B. Fretter, Charles Kittel.
Walter D. Knight, Philip Morrison, Edward M. Purcell, Malvin
A. Ruderman et Jerrold R. Zacharias. Le comité s’est réuni pour la
première fois en mai 1952, àBerkeley. C’est là qu’il traça un schéma provi-
soire d’un cours de physique entièrement nouveau. Acause de lourdes
obligations de plusieurs des membres du début, le comité fut partiellement
reconstitué en janvier 1964; il est maintenant formé par les signataires de
cette préface. Les contributions des autres sont mentionnées dans les préfaces
de chaque volume.
Le schéma provisoire et l’esprit qui s’y trouvait eurent une profonde
influence sur les éléments finalement établis pour le cours. Le plan couvrait
en détail les sujets et attitudes qui, croyons-nous, devraient et pourraient
être enseignés àdes étudiants de licence et d’école d’ingénieurs. Ce ne fut
jamais notre intention de concevoir un cours limité aux meilleurs étudiants
où àceux qui sont d’un niveau élevé. Nous avons cherché àprésenter les
principes de la physique en partant de points de vue neufs et unifiés :des
parties du cours peuvent donc sembler presque aussi nouvelles aux assistants
qu’aux étudiants.

Préface au cours de physique de Berkeley vii
Les cinq volumes du cours, comme nous les avons prévus, comprendront :
I. Mécanique (Kittel. Knight. Ruderman)
IL Électricité et magnétisme (Purcell)
III. Ondes et oscillations (Crawford)
IV. Physique quantique (Wichmann)
V. Physique statistique (Reif)
Les auteurs de chaque volume ont été libres de choisir le style et la méthode
de présentation qui leur semblaient appropriés à leur sujet.
L’activité du cours initial aconduit Alan M. Portis àconstituer un nouveau
manuel de travaux pratiques de physique élémentaire, maintenant connu
sous le nom de Travaux Pratiques de physique de Berkeley. Parce que le
cours met l’accent sur les principes de physique, certains professeurs peuvent
avoir le sentiment qu'il ne traite pas suffisamment la physique expérimentale.
Il faut alors que les travaux pratiques soient riches en expériences importantes,
et qu’ils soient conçus pour contrebalancer le cours f1).
L’aide financière pour le développement du cours fut fournie par la
National Science Foundation, avec une aide indirecte considérable de
l’Université de Californie. Les fonds furent administrés par les Educational
Services Incorporated, une organisation sans but lucratif créée pour admi-
nistrer les programmes.
Notre gratitude va particulièrement àGilbert Oakley, James Aldrich
et William Jones, tous àla ESI pour leur aide compréhensive et dynamique.
ESI acréé àBerkeley un bureau sous la direction très compétente de
Mme Minty R. Maloney pour aider au développement du cours et du
laboratoire. L’Université de Californie n’a aucune attache officielle avec
notre programme, mais elle nous aaidés d'importantes façons. Pour cette
collaboration, nous remercions en particulier les deux présidents successifs
du département de Physique, August C. Helmolz et Burton J. Moyer;
les enseignants et le personnel non-académiques du département; Donald
Coney et beaucoup d’autres àl’Université. Abraham Olshen nous a beau-
coup aidés au début pour les problèmes d’organisation.
Vos corrections et suggestions seront les bienvenues.
Eugene D. Commins
Frank S. Crawford, Jr.
Walter D. Knight
Philip Morrison
Alan M. Portis
Edward M. Purcell
Frederick Reif
Malvin A. Ruderman
Eyvind H. Wichmann
Charles Kittel, président.
1. Le manuel de travaux pratiques qui accompagne l'édition américaine de ce livre aété
conçu dans cet esprit.

Ce dernier volume du Cours de Physique de Berkeley est consacré à l’étude
de systèmes « macroscopiques »qui se composent d’un grand nombre
d’atomes ou de molécules; il constitue donc une introduction àdivers
sujets :mécanique statistique, théorie cinétique, thermodynamique et cha-
leur. La ligne que j’ai suivie n’est pas conforme au développement historique
dans ce domaine et je n’ai pas procédé selon les méthodes traditionnelles.
Mon but aété plutôt d’adopter un point de vue moderne et de montrer,
d'une façon aussi simple et systématique que possible, comment les notions
de base de la théorie atomique conduisent àun cadre conceptuel cohérent
capable de décrire et de prédire les propriétés des systèmes macroscopiques.
En écrivant ce livre, j'ai essayé de penser à un étudiant qui, n’étant pas
familiarisé avec le sujet, n'est pas encombré de connaissances antérieures :
il al’avantage de l’aborder pour la première fois avec, comme seul bagage,
ses cours de physique élémentaire et des rudiments de physique atomique.
J’ai donc choisi un ordre de présentation qui pouvait sembler parfaitement
justifié àcet étudiant, s’il essayait de comprendre par lui-même les systèmes
macroscopiques. Afin de rendre la présentation cohérente, j’ai basé la
discussion toute entière sur l’élaboration systématique d'un seul principe,
la tendance d’un système isolé àse rapprocher de son état le plus désordonné.
Bien que j’aie limité mon attention àdes systèmes simples, je les ai traités par
des méthodes qui peuvent avoir de vastes applications et être facilement
généralisées. J’ai surtout essayé d’insister, d'un bout àl’autre de ce volume,
sur l’importance du sens physique, aptitude àpressentir rapidement des
relations importantes. J’ai donc essayé de discuter àfond des idées phy-
siques sans me perdre dans le formalisme mathématique, de fournir des
exemples simples pour illustrer des concepts généraux abstraits, de faire des
estimations numériques de quantités caractéristiques, et de rattacher la
théorie au monde réel de l’observation et de l'expérience.
Il afallu choisir avec grand soin la matière àétudier dans ce volume. Mon
intention aété d’insister sur les idées les plus fondamentales qui pourraient
être utiles aux physiciens aussi bien qu’aux étudiants en chimie et en biologie
ou qu’aux élèves-ingénieurs. Les «Notes pour le professeur et l’étudiant »
résument le contenu de ce volume et la façon dont il a été conçu; elles offrent
quelques idées directrices àl’étudiant et au futur professeur. L’ordre non
conventionnel de la présentation, ayant pour but d’insister sur le rapport
entre la description au niveau macroscopique et au niveau atomique, ne
sacrifie pas nécessairement les vertus inhérentes àdes travaux d’approche
plus traditionnels. En particulier, on peut mentionner les caractéristiques
suivantes :
(i) L’étudiant qui alu le chap. 7(même s’il aomis le chap. 6) connaîtra
les principes fondamentaux et les applications essentielles de la thermodyna-