2. Découverte de la théorie statistique quantique
Selon la théorie statistique classique, l'état d'un gaz (température et pression pour un volume donné) est déterminé par la façon dont sont distribuées les molécules ; cette théorie fournit une représentation de cet état en précisant la distribution et les mouvements de groupes de molécules. Pourtant l'hypothèse suivant laquelle les molécules pouvaient être distinguées les unes des autres dut être abandonnée quand furent introduites les lois de la mécanique quantique pour laquelle les molécules sont indiscernables. Mais, alors que dans la théorie statistique de Bose-Einstein aucune restriction n'est faite quant au nombre de particules qui peuvent se trouver dans un état quantique donné, Fermi montra que si ces particules obéissent au principe d'exclusion de Pauli (par exemple, deux électrons d'un système ne peuvent être dans le même état quantique), chaque état quantique ne peut être occupé que par zéro ou une particule. Il prouva également que, dans un volume donné de gaz, deux particules ne peuvent pas être dans le même état de mouvement. Cette théorie est connue sous le nom de théorie statistique de Fermi-Dirac parce qu'elle fut plus tard, mais de façon indépendante, proposée par Paul Dirac. Elle décrit le comportement de toutes les particules obéissant au principe de Pauli, notamment les électrons. Fermi appliqua sa théorie aux nuages électroniques entourant les noyaux atomiques et à la conduction électronique des métaux qui suppose l'existence d'électrons libres. Cela eut une grande importance pour la physique de l'état solide.
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