mathématiques (PCSI) · Chapitre 17 · Exercice de TD
L'énergie moyenne d'un oscillateur (Planck)
Séries numériques · A. Convergence, géométriques, télescopiques · niveau 2
Énoncé
On somme la série « géométrique dérivée », puis on l'applique à un oscillateur quantique.
a) Soit tel que . Montrer que la série converge absolument, puis, en calculant , que .
b) Un oscillateur quantique possède les niveaux d'énergie (, ). À la température , chaque niveau reçoit le poids (facteur de Boltzmann, désignant la constante de Boltzmann), et l'énergie moyenne est Justifier l'existence de ces deux sommes et montrer que, avec , .
c) Haute température. Montrer que quand : on retrouve la valeur classique, . Basse température. Montrer que quand .
d) La capacité thermique de l'oscillateur est . Montrer que , et déterminer ses limites quand et quand . Pourquoi dit-on que la vibration est « gelée » à basse température ?
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Les séries géométriques ; la domination ; les croissances comparées ; les développements limités usuels et leur unicité ; la dérivation d'une composée.
La stratégie. Le dénominateur de est une série géométrique, le numérateur une série géométrique dérivée, sommée par un télescopage ; puis un développement limité quand , un équivalent quand .
a) La série géométrique dérivée. Convergence absolue. Pour , par croissances comparées, puisque : donc , et la domination par la série de Riemann donne la convergence absolue.
La somme. Notons . En décalant l'indice (), ; en soustrayant, le coefficient de vaut pour , et il reste le dernier terme de : Quand , et ; comme , . Contrôle : pour , les sommes partielles ; ; ; ; montent vers .
b) L'énergie moyenne. Posons : comme , , et le poids du niveau est . Le dénominateur est la série géométrique , de somme ; le numérateur est , de somme par le a). D'où
c) Les deux régimes. Haute température : . On écrit . Avec , où , et , où et : Ce zéro n'est pas un hasard : est paire (en , on multiplie haut et bas par ), et son développement limité n'a que des puissances paires. En multipliant par , avec : donc : la valeur classique, celle d'un oscillateur dont l'énergie ne serait pas quantifiée. Basse température : , et . Contrôle : pour , , et le développement donne — un écart de l'ordre de .
d) La capacité thermique. Comme , la dérivation de comme composée donne puisque . Quand , , et : . Quand , et par croissances comparées.
La vibration gelée. Quand est petit devant l'écart entre niveaux, l'oscillateur reste au niveau fondamental : son énergie ne varie presque plus avec la température, et ce degré de liberté ne contribue plus à la capacité thermique. Pour le diazote, K : à K, et .
Ce que l'exercice installe. Une moyenne de Boltzmann sur des niveaux équidistants est un quotient de séries géométriques, sommées exactement ; le développement limité sépare les régimes. C'est le calcul de Planck (1900) pour le rayonnement, et d'Einstein (1907) pour la capacité thermique des solides.
Exercices semblables
- Produits infinis, et la probabilité de ne jamais réussir corrigé
- Géométrique et télescopique corrigé
- Divergences corrigé
- Une divergence, par deux chemins corrigé
- Un télescopage déguisé corrigé