Pour interpréter l'effet photoélectrique, Albert Einstein fait en 1905 l'hypothèse révolutionnaire que la lumière peut être vue comme un flux de particules, nommés photons.
Les échanges d'énergie entre lumière et matière se font de manière discrète, par "paquets" d'énergies minimales correspondant à la totalité de l'énergie d'un photon.
• Observé par l'ingénieur et physicien allemand Heinrich Hertz en 1887, l'effet photoélectrique ne trouve pas d'interprétation avec la conception ondulatoire de la lumière, bien que celle-ci se soit imposée avec succès en expliquant notamment le phénomène d'interférences de la lumière.
• L'effet photoélectrique présente une grande importance historique car son étude a été décisive pour remettre en cause la théorie des ondes électromagnétiques et proposer un nouveau modèle dit particulaire, qui conduira à la naissance de la physique quantique.
En effet, si la lumière apportait progressivement l'énergie nécessaire pour arracher les électrons du métal comme le prévoit la théorie ondulatoire de la lumière, il suffirait d'éclairer le métal pendant une durée suffisante pour y parvenir. Or il n'en est rien : soit le phénomène a lieu quasi instantanément, soit il n'a pas lieu, car l'énergie apportée par le photon est insuffisante.
Pour que l'effet photoélectrique se produise, l'énergie h.ν du photon incident doit au moins être égale au travail d'extraction, énergie minimale à fournir au métal pour qu'un électron soit éjecté de sa surface. Le travail d'extraction diffère d'un métal à l'autre.
Cela explique l'existence de la fréquence seuil ν0 pour laquelle l'énergie h.ν0 du photon associé est égale au travail d'extraction Wextraction. COURS
CHAPITRE 20
L' EFFET PHOTOÉLECTRIQUE
Thème IV :Ondes et signaux
Caractéristiques du photon
A. VOIR AUSSI L'ESSENTIEL PAGE 412+QCM PAGE 413
Dans le modèle particulaire, un photon associé à un rayonnement monochromatique de fréquence ν ou de longueur d'onde dans le vide λ :
- possède une masse nulle,
- se déplace dans le vide à la vitesse c = 3,0.108m.s–1, - a une énergie Ephoton donnée par la relation
♡ photon
h.c
E = = h.
h : constante de Planck h = 6,63.10−34J.s
L'effet photoélectrique
B.
Description
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau sous l'action de la lumière.
Ce phénomène ne se produit que si la fréquence ν du rayonnement est supérieure à une fréquence seuil ν0, qui dépend de la nature du matériau, mais pas de la puissance du faisceau lumineux.
Interprétation de l'effet photoélectrique
En notant Wextraction le travail d'extraction d'un électron du métal :
- si ν < ν0, on a Ephoton < Wextraction aucun électron n'est extrait du métal, - si ν > ν0, on a Ephoton > Wextraction un électron peut être extrait.
Lorsque l'énergie du photon incident est supérieure au travail d'extraction, l'excès d'énergie est transféré sous forme d'énergie cinétique à l'électron émis :
Équation d'Einstein
de l'effet photoélectrique ♡
e 2max photon extraction
énergie cinétique travail
énergie
de l'électron d'extraction
du photon
h . = W + ½ m .v
En deçà d'une certaine fréquence, donc au-dessus
d'une certaine longueur d'onde, une lumière monochromatique, même de
forte puissance, n'est pas capable d'arracher les électrons d'un matériau.
• Une cellule photoélectrique est constituée de deux électrodes : la cathode et l’anode enfermées dans un tube vide ou rempli d’un gaz inerte.
• Lorsque la cellule est reliée à un circuit électrique comprenant une source de tension et que la cathode est éclairée par un rayonnement de fréquence supérieure à sa fréquence seuil, elle émet des électrons qui sont collectés à l’anode.
• Le courant électrique obtenu augmente avec le nombre de photon reçus donc l’intensité de la source de rayonnement.
• L’utilisation de matériaux semi-conducteurs et l’exploitation de l’effet photoélectrique a permis la mise au point de nombreux dispositifs comme les cellules photovoltaïques et des diodes électroluminescentes (DEL). Si l’énergie d’un photon est supérieure à une énergie appelée "énergie du gap" un électron est extrait ce qui engendre un courant électrique.
• C’est ainsi que les cellules photovoltaïques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Le rendement d’une cellule photovoltaïque mesure l’efficacité de la conversion d’énergie lumineuse en énergie électrique.
Il dépend de la technologie et se situe actuellement entre 5 et 18 %.
Le panneaux solaires sont constitués de cellules photovoltaïques.
• ex 5 p 416 : Interpréter l'effet photoélectrique
• ex 7 p 416 : Réaliser un bilan d'énergie
• ex 17 p 419 : Comparaison de l'effet photoélectrique
• ex 14 p 418 : Une histoire de rendement
Applications
C.
Cellule photoélectrique
Une cellule photoélectrique est un dispositif qui engendre un courant électrique sous l’effet de la lumière.
Ces cellules sont utilisées pour mesurer l’intensité lumineuse d’une source et comme capteur de lumière.
Exploiter la définition d'une fonction réciproque, ici :
Semi-conducteurs
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique et est utilisée pour la production d’électricité.
Le rendement d’une cellule photovoltaïque se calcule :
♡ utile électrique fournie lu min euse
E E
E E
= =
ou électriquelu min euse
