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Modèle d'Einstein

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

Ce modèle est nommé d’après Albert Einstein, qui l'a proposé en 1907[1].

Énergie interne

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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 . Ce modèle repose donc 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 :

où ℏ est la constante de Planck réduite, ωE est la pulsation d’un oscillateur, N le nombre d’atomes qui constituent le système et kB est la constante de Boltzmann et T la température absolue.

Capacité calorifique

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La capacité calorifique CV est définie par :

avec , on obtient

On peut définir la température d’Einstein comme . Tout cela nous donne

Résultats du modèle

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

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

Cependant, à basse température, ce modèle concorde moins avec les mesures expérimentales que celui de Debye :

Lorsque

Cette discordance avec l’expérience peut s’expliquer en abandonnant l’hypothèse selon laquelle les oscillateurs harmoniques vibrent à la même fréquence.

Articles connexes

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Bibliographie

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Notes et références

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  1. (de) Albert Einstein, « Die Plancksche Theorie der Strahlung und die Theorie der spezifischen Wärme », Annalen der Physik, vol. 22,‎ , p. 180 (lire en ligne)
  2. Cette quantification est due aux conditions aux limites imposées au solide.
  3. On modélise les N atomes qui constituent le solide par 3N oscillateurs harmoniques quantiques à une dimension.
  4. À 0 K, tous les oscillateurs sont dans un même état (n=0). Si tous les états atomes étaient au repos, leur position et leur vitesse seraient bien déterminées ( et ) 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.