physique statistique ii phq 440
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PLAN DE COURS Université de Sherbrooke Faculté des sciences Trimestre d’été 2003 Département de physique PHYSIQUE STATISTIQUE II PHQ 440 PROFESSEUR COURS Titre Physique Statistique II Nom: Mario POIRIER Sigle: PHQ-440 Bureau: 1084-4 Crédits: 3 Horaire de disponibilité : à déterminer Travaux dirigés: 1 heure/sem Travail personnel: 5 heures/sem Session: 4 PLACE DU COURS DANS LE PROGRAMMK] obligatoire Type de cours: Cours préalables: PHQ 340 PHQ-440 PHYSIQUE STATISTJQUE II J // MISE EN CONTEXTE DU COURS Les deux cours de physique statistique inscrits au programme familiarisent l’étudiant aux concepts physiques et aux méthodes de base qui sont nécessaires à la description de systèmes faisant intervenir un nombre très grand de particules. La mécanique statistique constitue avec la mécanique quantique et la relativité l’un des piliers de la physique moderne. Elle a pour but d’expliquer le comportement de systèmes macroscopiques (incluant un très grand nombre de particules) à partir de leurs propriétés microscopiques. C’est, de façon générale, la mécanique quantique qui décrit les propriétés et l’évolution des systèmes physiques à l’échelle microscopique. La mécanique statistique est donc construite sur cette description quantique. n est important que les étudiants perçoivent d’emblée la physique statistique comme une théorie fondamentale, et non pas comme une simple tentative de justifier à postériori la thermodynamique. La démarche consiste donc à présenter la mécanique statistique élémentaire et à expliquer son articulation avec la thermodynamique et la théorie cinétique pour en dégager un point de vue unifié et moderne. La physique statistique permet ainsi de mieux comprendre des phénomènes que les autres branches ne peuvent expliquer en raison d’une approche déterministe. Des applications concrètes peuvent être trouvées dans tous les domaines de la physique: physique des solides, électromagnétisme, astrophysique, cosmologie, superfluides, etc. Les deux cours de physique statistique sont obligatoires pour tous les étudiants. Le deuxième cours, Physique Statistique II, complète la description statistique des systèmes à l’équilibre thermodynamique amorcée dans le premier cours. Les deux distributions statistiques fondamentales sont ensuite appliquées à divers problèmes dans différents domaines de la physique. OBJECTIFS GÉNÉRAUX Le cours PHQ-440 vise à -approfondir la physique statistique -faire maîtriser les fondements des deux principales distributions statistiques -rendre les étudiants aptes à appliquer ces statistiques à l’étude des gaz parfaits quantiques et classiques OBJECTIFS SPÉCIFIQUES I A la fin du cours PHQ 440, et pour atteindre les objectifs généraux, l’étudiant devra être capable de: expliquer les concepts de fonction de partition, d’entropie statistique et d’équilibre thermodynamique décrire les différents ensembles statistiques et leur relation avec la thermodynaique déduire le rôle de la mécanique quantique dans des phénomènes observés à l’échelle macroscopique expliquer le principe ergodique et les ensembles statistiques PHQ-440 PHYSIQUE STATISTIQUE fl appliquer les statistiques de Bose-Einstein, de Fermi-Dirac et de Maxwell-Boltzmann à l’étude des gaz parfaits quantiques et classiques analyser certains phénomènes physiques appartenant à différents domaines de recherche ou d’application en choisissant la statistique appropriée (le paramagnétisme, la loi de radiation de Planclç la chaleur spécifique des solides, la théorie cinétique des gaz, l’équation de van der Waals et la transition gaz-liquide, le ferromagnétisme, les propriétés électroniques et magnétiques des métaux, les naines blanches, l’hélium à basse température, le rayonnement cosmique à 3K) analyser l’évolution d’un gaz classique dilué (équation de Boltzmann) hors d’équilibre expliquer les aspects historiques du développement de la physique statistique PLAN DE LA MATIÈRE L’horaire est établi en fonction de 13 semaines effectives de cours Semaine 1 Contenu Objectifs décrire l’équilibre thermodynamique système isolé systèmes en contact avec un réservoir à T, P conditions de stabilité: éq. de Clausius-Clapeyron Chap. S décrire des systèmes ayant plusieurs espèces conditions générales d’équilibre équilibre chimique: loi d’action des masses chimiques 2 décrire les ensembles statistiques ensembles microcanonique, canonique et grand canonique relations avec la thermodynamique 3 décrire les statistiques quantiques gaz parfaits: particules identiques et exigences de symétrie fonctions de distribution quantiques: statistiques de Chap. 9 photons, Fermi-Dirac, Bose-Einstein, ?vlaxwell-Boltzmann Sect. l-S limite classique PHQ-440 PHYSIQUE STATISTIQUE H 4 analyser les gaz de photons loi du rayonnement de Planck loi de Stefan-Boltzmann pression de rayonnement Chap. 9 Sect. 13 5 analyser les gaz de photons rayonnement fossile émission de rayonnement émission induite: coefficients d’Einstein Chap. 9 SecÉ. 14-15 6 analyser les gaz de phonons chaleur spécifique des solides: modèles d’Einstein et de Debye Chap. 10 Sect. 1-2 analyser les gaz de bosons gaz de bosons indépendants condensation de Bose-Einstein 7 analyser les gaz de fermions gaz d’électrons dans un métal gaz de Fermi dégénéré chaleur spécifique Chap. 9 paramagnétisme de Pauli Sect. 16-17 8 analyser les gaz classiques Fontion de partition et propriétés thermodynamiques Entropie: tests expérimentaux de Sackur-Tétrode Conséquences physiques de l’énumération quantique des Chap.9 états. Sect. 9-12 Théorie cinétique des gaz dilués Chap.7 Sect. 9-13 9 analyser les gaz non-parfaits systèmes de particules en intéraction équation de Van der Waals Chap.S transformation de phases SecL6 ferromagnétisme Chap.l0 Sect.3-7 C’ PHQ-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II 10 appliquer Chap. 1 1 thermique à des systèmes contact travail magnétique en refroidissement magnétique supraconductivité Sect. 1,2,4 11 décrire des systèmes hors d’équilibre conductivité thermique, diffusion et conductivité électrique Chap.12 12—13 théorie cinétique des processus de transport temps de collision, viscosité, section efficace décrire des systèmes hors d’équilibre théorie du transport équation de Boltzmann en absence de collisions formulation différentielle de l’équation de Boltzmann Chap.13 calcul de la conductivité électrique METHODES PEDAGOGIQUES j 1. Exposé magistral 2. Questions durant l’exposé magistral 3. Résolution d’exercices et devoirs en classe: participation des étudiants et étudiantes à la solution d’exercices au tableau.. EVALUATION I 1. Moyens d’évaluation: Devoirs, tests et examen (final) 2. Type de questions: Problèmes à résoudre, questions à développement. 3. Pondération: 20% pour les devoirs. 30% pour les tests 50% pour le final. PHQ-440 PHYSIQUE STATISTIQUE II 4. 5. Moments prévus pour l’évaluation: Dates d’examens fixées par la Faculté (mi-session et fin de session) Dates de remise des devoirs fixées par le professeur durant le cours. Test à toutes les deux semaines (environ) durant la séance d’exercices prévue à l’horaire. Les devoirs, tests et examens visent à vérifier l’acquisition Critère d’évaluation: des connaissances, leur compréhension et leur application. DBIBLIOGRAPIUE Référence suggérée: Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, F. Reif, McGraw-Hill 1965. 175 R43 1965 Autres ouvrages de référence: Physique Statistique, Introduction H. Ngô et C. Ngô, Masson 1988. Statistical Physics, F. Reif Berkeley Physics Course Vol.5 McGra w-Hill 1967. QC Eléments de Physique Statistique, B. Diu, C. Guthmann, D. Lederer et B. Roulet, Hermann 1989. Thermal Physics, C. Kittel et H. Kroemer Freeman 1980 (D
