Distribution de Fermi-Dirac et Électrons dans un Métal

Distribution de Fermi-Dirac et Électrons dans un Métal

Distribution de Fermi-Dirac et Électrons dans un Métal

Comprendre la Distribution de Fermi-Dirac

La statistique de Fermi-Dirac s'applique aux fermions, des particules comme les électrons qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli (deux fermions ne peuvent occuper le même état quantique). Dans un métal, les électrons de valence se comportent comme un "gaz" de fermions. À la différence des gaz classiques, même à la température du zéro absolu, les électrons remplissent les niveaux d'énergie jusqu'à une énergie maximale appelée l'énergie de Fermi (\(E_F\)). La distribution de Fermi-Dirac, \(f_{FD}(E)\), donne la probabilité qu'un état d'énergie \(E\) soit occupé par un électron à une température \(T\). Cette distribution explique de nombreuses propriétés des métaux, comme leur conductivité électrique et leur capacité thermique.

Données de l'étude

On s'intéresse au gaz d'électrons dans le cuivre (Cu) à température ambiante.

Conditions et constantes :

  • Métal : Cuivre (Cu)
  • Énergie de Fermi du cuivre (\(E_F\)) : \(7.00 \, \text{eV}\)
  • Température d'étude (\(T\)) : \(300 \, \text{K}\)
  • Constante de Boltzmann (\(k_B\)) : \(8.617 \times 10^{-5} \, \text{eV/K}\)
Distribution de Fermi-Dirac
Énergie (E) Probabilité f(E) E_F 1 0.5 T = 0 K T > 0 K

Questions à traiter

  1. Écrire la fonction de distribution de Fermi-Dirac \(f_{FD}(E)\). Que devient-elle à T = 0 K ?
  2. Calculer l'énergie thermique \(k_B T\) en électron-volts (eV) à 300 K.
  3. Calculer la probabilité qu'un état d'énergie \(E = E_F + 2k_B T\) soit occupé à 300 K.
  4. Calculer la probabilité qu'un état d'énergie \(E = E_F - 2k_B T\) soit occupé à 300 K.
  5. Commenter les résultats et la faible proportion d'électrons excités thermiquement à température ambiante.

Correction : Distribution de Fermi-Dirac et Électrons dans un Métal

Question 1 : Fonction de Fermi-Dirac

Principe :

La fonction de distribution de Fermi-Dirac donne la probabilité moyenne d'occupation d'un état d'énergie \(E\) par un fermion à la température \(T\).

Formule :
\[ f_{FD}(E) = \frac{1}{e^{(E-E_F)/(k_B T)} + 1} \]

À \(T = 0 \text{ K}\) :

  • Si \(E < E_F\), l'exposant tend vers \(-\infty\), donc \(e^{-\infty} = 0\). \(f_{FD}(E) = \frac{1}{0+1} = 1\).
  • Si \(E > E_F\), l'exposant tend vers \(+\infty\), donc \(e^{+\infty} = \infty\). \(f_{FD}(E) = \frac{1}{\infty+1} = 0\).

La distribution est donc une fonction "marche d'escalier" : tous les états sous \(E_F\) sont occupés, tous ceux au-dessus sont vides.

Question 2 : Calcul de l'Énergie Thermique \(k_B T\)

Principe :

On calcule l'énergie associée à l'agitation thermique à la température donnée. C'est une énergie de référence pour évaluer l'excitation des électrons.

Calcul :
\[ \begin{aligned} k_B T &= (8.617 \times 10^{-5} \, \text{eV/K}) \times (300 \, \text{K}) \\ &\approx 0.02585 \, \text{eV} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : L'énergie thermique à 300 K est d'environ \(0.026 \, \text{eV}\).

Question 3 : Probabilité d'Occupation pour \(E > E_F\)

Principe :

On applique la formule de Fermi-Dirac pour un état d'énergie situé à \(2k_B T\) au-dessus de l'énergie de Fermi.

Calcul :

L'exposant vaut \((E-E_F)/(k_B T) = (2k_B T) / (k_B T) = 2\).

\[ \begin{aligned} f_{FD}(E_F + 2k_B T) &= \frac{1}{e^2 + 1} \\ &\approx \frac{1}{7.389 + 1} \\ &= \frac{1}{8.389} \approx 0.1192 \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La probabilité d'occupation est d'environ 11.9%.

Question 4 : Probabilité d'Occupation pour \(E < E_F\)

Principe :

On applique la formule pour un état situé à \(2k_B T\) en dessous de l'énergie de Fermi.

Calcul :

L'exposant vaut \((E-E_F)/(k_B T) = (-2k_B T) / (k_B T) = -2\).

\[ \begin{aligned} f_{FD}(E_F - 2k_B T) &= \frac{1}{e^{-2} + 1} \\ &\approx \frac{1}{0.1353 + 1} \\ &= \frac{1}{1.1353} \approx 0.8808 \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : La probabilité d'occupation est d'environ 88.1%.

Question 5 : Commentaire et Conclusion

Analyse :

À température ambiante (\(T=300\) K), l'énergie thermique (\(k_B T \approx 0.026\) eV) est très petite comparée à l'énergie de Fermi du cuivre (\(E_F = 7.0\) eV). Les calculs montrent que les états bien en dessous de \(E_F\) sont presque certainement occupés (probabilité proche de 1) et ceux bien au-dessus sont presque certainement vides (probabilité proche de 0). L'agitation thermique ne parvient à "brouiller" la distribution en marche d'escalier que dans une très fine bande d'énergie autour de \(E_F\), de l'ordre de quelques \(k_B T\). Seuls les électrons dans cette bande peuvent être excités et participer aux phénomènes de conduction.


Quiz Rapide : Testez vos connaissances

1. À n'importe quelle température \(T > 0\), quelle est la probabilité d'occupation d'un état à l'énergie de Fermi, \(E = E_F\) ?

Indice : Calculez la fonction pour \(E - E_F = 0\).

2. La statistique de Fermi-Dirac s'applique aux...


Glossaire

Statistique de Fermi-Dirac
Loi statistique qui décrit la distribution d'énergie de particules indiscernables qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli (fermions).
Fermion
Type de particule (comme l'électron, le proton, le neutron) caractérisée par un spin demi-entier. Les fermions sont soumis au principe d'exclusion de Pauli.
Principe d'Exclusion de Pauli
Principe de la mécanique quantique stipulant que deux fermions identiques ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique dans un système.
Énergie de Fermi (\(E_F\))
Dans un système de fermions à T = 0 K, c'est l'énergie du niveau le plus élevé occupé. À T > 0 K, c'est le niveau d'énergie qui a une probabilité d'occupation de 1/2.
Distribution de Fermi-Dirac - Exercice d'Application

D’autres exercices de Thermodynamique Statistique:

Fonction de Partition Vibrationnelle
Fonction de Partition Vibrationnelle

Calcul de la Fonction de Partition Vibrationnelle Fonction de Partition Vibrationnelle Contexte : Le pont entre le microscopique et le macroscopique. En thermodynamique statistique, la fonction de partitionUne fonction mathématique qui décrit les propriétés...

Potentiel Chimique d’un Gaz de Bosons
Potentiel Chimique d’un Gaz de Bosons

Potentiel Chimique d'un Gaz de Bosons Potentiel Chimique d'un Gaz de Bosons Contexte : Qu'est-ce que le potentiel chimique pour des bosons ? En thermodynamique statistique, le potentiel chimiqueÉnergie nécessaire pour ajouter une particule à un système, à volume et...

Capacité Thermique des Gaz Diatomiques
Capacité Thermique des Gaz Diatomiques

Capacité Thermique des Gaz Diatomiques et Gel des Degrés de Liberté Capacité Thermique des Gaz Diatomiques et Gel des Degrés de Liberté Contexte : Pourquoi la capacité thermique n'est-elle pas constante ? La thermodynamique classique, via le théorème...

Modèle d’Ising pour le Ferromagnétisme
Modèle d’Ising pour le Ferromagnétisme

Modèle d'Ising pour le Ferromagnétisme Modèle d'Ising pour le Ferromagnétisme Comprendre : Le Modèle d'Ising et les Transitions de Phase Le modèle d'IsingUn modèle mathématique en physique statistique utilisé pour décrire le ferromagnétisme. Il consiste en un réseau...

Dérivation de la Loi de Stefan-Boltzmann
Dérivation de la Loi de Stefan-Boltzmann

Dérivation de la Loi de Stefan-Boltzmann Dérivation de la Loi de Stefan-Boltzmann Comprendre : Le Rayonnement du Corps Noir et le Gaz de Photons Le rayonnement du corps noir est le rayonnement électromagnétique émis par un objet idéal qui absorbe parfaitement toute la...

Modèle d’adsorption de Langmuir
Modèle d’adsorption de Langmuir

Le Gaz de Réseau : Modèle d'Adsorption de Langmuir Le gaz de réseau : modèle d'adsorption de Langmuir Comprendre le Modèle d'Adsorption de Langmuir Le modèle d'adsorption de Langmuir est un modèle théorique simple mais puissant pour décrire l'adsorption de molécules...

Condensation de Bose-Einstein
Condensation de Bose-Einstein

Distribution de Bose-Einstein et la Condensation de Bose-Einstein Distribution de Bose-Einstein et la Condensation de Bose-Einstein Comprendre la Condensation de Bose-Einstein La statistique de Bose-Einstein s'applique aux bosons, des particules qui, contrairement aux...

Détermination de l’Énergie de Fermi
Détermination de l’Énergie de Fermi

Détermination de l'Énergie de Fermi Détermination de l'Énergie de Fermi Comprendre l'Énergie de Fermi En mécanique statistique, les électrons dans un métal sont des fermions, des particules qui obéissent au principe d'exclusion de Pauli. Ce principe stipule que deux...

Ensemble Canonique pour un Gaz Parfait
Ensemble Canonique pour un Gaz Parfait

Utilisation de l'Ensemble Canonique pour un Gaz Parfait Utilisation de l'Ensemble Canonique pour un Gaz Parfait Comprendre l'Ensemble Canonique En thermodynamique statistique, l'ensemble canonique est un formalisme puissant qui décrit un système en contact thermique...

Fonction de Partition Vibrationnelle
Fonction de Partition Vibrationnelle

Calcul de la Fonction de Partition Vibrationnelle Fonction de Partition Vibrationnelle Contexte : Le pont entre le microscopique et le macroscopique. En thermodynamique statistique, la fonction de partitionUne fonction mathématique qui décrit les propriétés...

Potentiel Chimique d’un Gaz de Bosons
Potentiel Chimique d’un Gaz de Bosons

Potentiel Chimique d'un Gaz de Bosons Potentiel Chimique d'un Gaz de Bosons Contexte : Qu'est-ce que le potentiel chimique pour des bosons ? En thermodynamique statistique, le potentiel chimiqueÉnergie nécessaire pour ajouter une particule à un système, à volume et...

Capacité Thermique des Gaz Diatomiques
Capacité Thermique des Gaz Diatomiques

Capacité Thermique des Gaz Diatomiques et Gel des Degrés de Liberté Capacité Thermique des Gaz Diatomiques et Gel des Degrés de Liberté Contexte : Pourquoi la capacité thermique n'est-elle pas constante ? La thermodynamique classique, via le théorème...

0 commentaires
Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *