Fermions La somme porte sur Ni= 0 et Ni= 1, seules valeurs autoris´ees. On a alors
ζi= 1 + e−(α+βi), soit
ni=e−(α+βi)
1 + e−(α+βi)=1
eβ(i−µ)+ 1 (19)
o`u on a utilis´e α=−βµ. C’est la distribution de Fermi-Dirac. On remarque que niest
compris entre 0 et 1, quelle que soit les valeurs de Tet µ.µpeut prendre toutes les valeurs
entre −∞ et +∞.
Pour T > 0, la limite µ→ −∞ correspond `a la limite classique o`u ni' N e−βi1.
C’est l’entropie par particule augmente avec Net qui rend µn´egatif.
Pour µkBT, la fonction de Fermi passe brutalement de 1 `a 0 lorsque d´epasse µ,
sur une plage de largeur kBT.`
AT= 0, la fonction de Fermi est une marche en =µ.
Bosons La somme porte sur toutes les valeurs de Ni∈N. On a alors
ζi=
∞
X
N=0
e−N(α+βi)=1
1−e−(α+βi),soit ln ζi=−ln 1−e−(α+βi).
On en d´eduit
ni=e−(α+βi)
1−e−(α+βi)=1
eβ(i−µ)−1.(20)
C’est la distribution de Bose-Einstein. Cette fois, pour que ni>0, il faut imposer µ < i,
pour tout i.µest donc born´e sup´erieurement par l’´energie minimale min. On supposera
que cette ´energie correspond `a l’´etat d’indice i= 0, par convention. On a donc min =0.
La limite µ→ −∞ correspond comme pour les fermions `a la limite classique. Les ´etats
´etant tr`es faiblement occup´es, la nature bosonique ou fermionique des particules ne joue
pas.`
A la limite µ→0,n0diverge. C’est le signe de la transition de phase vers la conden-
sation. Si le nombre de particule est fini, toutes les particules peuplent alors l’´etat fonda-
mental. En effet, le nombre de particule dans un ´etat n0
iexcit´e est born´e par
n0
i=1
eβ(i−µ)−1<1
eβ(i−0)−1.
Si la somme sur tout les ´etats excit´es de ce majorant est finie, le nombre total d’atomes
dans les ´etats excit´es est born´e :
N0< N0
max(T) = X
i>0
1
eβ(i−0)−1.
Si le nombre total d’atomes exc`ede N0
max(T), dont la valeur d´ecroˆıt quand on r´eduit la
temp´erature, tous les atomes suppl´ementaires s’accumulent dans l’´etat fondamental, dont
la population devient macroscopique.
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