Thème : ondes et signaux
Chapitre 20 : La lumière, un flux de photons
Page 1 sur 4 1. L’effet photoélectrique
Au début du XXème siècle, la nature ondulatoire de la lumière est presque unanimement admise.
1.1.Insuffisance du modèle ondulatoire
Expérience de Hertz (physicien allemand (1857-1894)) réalisée en 1887 : mise en évidence de l’effet photoélectrique :
On charge l’électroscope négativement grâce au bâton d’ébonite. Il se retrouve alors avec un excès d’électrons.
La tige mobile s’est éloignée de la lame fixe car les deux étant chargées négativement, elles se repoussent (voir a : état initial)
La plaque de zinc qu’il porte est ensuite exposée aux radiations ultraviolettes émises par une lampe à vapeurs de mercure. (voir b : effet photoélectrique)
Observations :
On peut constater ………..……..
……….
Interprétation :
Activité 1 : Comprendre et interpréter l’effet photoélectrique Conclusion :
Les radiations UV provoquent ………. de la plaque métallique (qui est chargée négativement).
Globalement, l’électroscope se décharge et la répulsion entre la partie fixe et la partie mobile diminue
Mais l’existence pour chaque métal d’une ……….. au-
dessous de laquelle aucun électron n’est émis, ne s’explique pas avec le ……….
………
Les ondes mécaniques progressives peuvent donner lieu à des phénomènes de diffraction et d’interférences, donc l’observation de phénomènes similaires pour la lumière conduit à penser, par analogie, qu’elle se comporte comme une onde dans certaines conditions.
……….
……….
……….
Figure a
Figure b Figure a
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Page 2 sur 4 1.2. Le modèle particulaire : Le photon
En 1905, Albert Einstein donne une interprétation satisfaisante de l’effet photoélectrique : il postule l’existence des quanta d’énergie, sorte de grains d’énergie lumineuse qui seront ultérieurement appelés photons.
Définition : ……….
……….
Il a une charge électrique et une masse nulles et se déplace dans le vide avec une vitesse c = 3,00 x 108 m.s-1. L’expression des quanta d’énergie E est :
h = constante de Planck, h = 6,63 x 10-34 J.s = fréquence de la radiation en Hertz (Hz)
E = énergie en Joule (J) Exercice : 15 p 472
1.3. Conditions d’obtention de l’effet photoélectrique
L’effet photoélectrique est ………
……….
Deux paramètres importants caractérisent ce rayonnement :
Sa fréquence
Son éclairement E, exprimé en Watt par mètre carré.
L’effet électrique ne se produit que ………
………
……….
Pour < S, l’effet photoélectrique ……….
1.4. Bilan d’énergétique de l’effet photoélectrique
Lors de l’effet photoélectrique, l’énergie Ephoton du photon incident est transférée à un électron pour l’extraire du métal ; Le surplus d’énergie est emporté par l’électron sous forme d’énergie cinétique.
Le travail d’extraction Wextraction est ……….
……….
La relation de conservation de l’énergie s’écrit :
h = 6,63x 10-34 J.s
h=constante de Planck
m : masse de l’électron arraché (kg)
Ec : énergie cinétique (J)
: fréquence du photon incident (Hz)
V :vitesse de l’électron arraché (m.s-1)
Activité 2 : Modèle particulaire et travail d’extraction
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Page 3 sur 4 1.5. La cellule photoélectrique
Une cellule photoélectrique est formée d’une photocathode susceptible du subir l’effet photoélectrique, séparée, dans une ampoule où règne le vide, d’une anode dont le rôle est de collecter les électrons émis sous l’action de la lumière.
La tension U imposée entre la photocathode et l’anode permet
d’accélérer les électrons émis qui sont alors plus efficacement recueillis.
Exercices : 21 p 473 (corrigé dans le livre), 27 p 474 (corrigé dans le livre), 28 p 474
2. Absorption ou émission de photons (rappels de 1ère)
La matière peut absorber ou émettre des rayonnements électromagnétiques.
Au niveau microscopique et quantique, cela correspond à l’absorption ou l’émission de photons par les atomes, qui sont le siège de transitions énergétiques.
Il existe deux mécanismes de base :
………..d’un photon se produit lorsque l’atome passe d’un état initial d’énergie E1 à un état d’énergie E2 supérieure. (fig.1)
………. d’un photon accompagne la désexcitation de l’atome, dont l’énergie ……….de E2 à E1. Dans ce processus, le photon produit est émis dans une direction aléatoire. (fig.2)
L’énergie E = E2 – E1 du photon et la fréquence de la radiation associée au photon sont reliés par la relation : où h = constante de Planck, h = 6,63 x 10-34 J.s
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Page 4 sur 4 Résumé :
3. Les cellules photovoltaïques
Voir activité 3 « effet photovoltaïque » Voir Tp 20 « les cellules photovoltaïques » Exercice : 20 p 473
