Physique 11 La lumière : un flux de photons Chap.20

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27/05/21 Lumiere_flux_de_photons.docx 1/3

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^ale

Spécialité

Thème : Ondes et signaux Cours

Physique 11 La lumière : un flux de photons Chap.20

Prérequis : (1^ère)

 Le photon est la particule élémentaire associée aux ondes électromagnétiques dont la lumière fait partie. Il n’a pas de masse et ne porte pas de charge électrique.

 Dans le vide, sa vitesse est environ égale à : c = 3,00  10⁸ m.s^-1. (Valeur exacte : c = 299 792 458 m.s^-1)

 Son énergie E en joule (J) est égale à :

𝑬 = 𝒉 × 𝝂 = 𝒉 ×

^𝒄

𝝀 avec h : constante de Planck égale à h = 6,63.10^-34 J.s ;

ν (lire « nu ») : fréquence de l’onde électromagnétique associé (en Hz) λ (lire lambda ») : longueur d’onde de l’onde (en m)

 Interaction lumière – matière

Ex. p.406 + Q.C.M.

I. L’effet photoélectrique 1. Historique

 L’effet photoélectrique consiste en l’émission d’électrons par un métal soumis à un rayonnement électromagnétique. L’effet photoélectrique a été observé, étudié et décrit par Heinrich Hertz en 1887.

 La théorie ondulatoire ne permet pas d’expliquer l’existence d’une fréquence, notée νS, seuil du rayonnement électromagnétique à partir de laquelle l’émission d’électrons se produit. C’est le modèle corpusculaire, celui du photon, qui permet d’expliquer l’effet photoélectrique. C’est Einstein qui propose ce modèle corpusculaire en 1905 (Prix Nobel pour cette découverte).

 L’augmentation de l’intensité du rayonnement permet uniquement un accroissement du nombre de photons émis par la source.

2. Propriétés

Lumière

rouge faible rouge intense verte faible verte intense violette faible violette intense

 Si l’énergie des photons est supérieure ou égale à h  νS , la lumière ou le rayonnement électromagnétique extrait des électrons du matériau.

Rouge Jaune Vert Bleu Violet

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3. Aspect énergétique

 Le travail d’extraction est l’énergie minimale à fournir à un matériau pour en extraire un électron.

 Son symbole est W et son unité est le joule (J) : W = h  νS avec νS en Hz et h = 6,63  10^-34 J.s

 Le travail d’extraction dépend du matériau étudié.

 Remarque : Les valeurs du travail d’extraction étant très faibles, on utilise couramment comme unité l’électron-volt de symbole eV avec la conversion : 1 eV = 1,602  10^-19 J.

 Energie cinétique de l’électron :

 Si un photon de fréquence ν (d’énergie E photon = h  ν) extrait un électron d’un matériau de fréquence seuil νS telle que ν > νS (E photon > W),

l’énergie excédentaire est restituée sous forme d’énergie cinétique EC de l’électron. EC= E photon – W = h  ν - h  νS = h  ( - νS)

 Le tracé de l’énergie cinétique de l’électron en fonction de la fréquence du rayonnement est une droite de coefficient directeur h, qui coupe l’axe des abscisses en νS et a pour ordonnée à l’origine – W. Voir ci-contre.

4. Exercice d’application

 Un rayonnement de fréquence  = 10,0  10¹⁴ Hz éclaire le zinc de travail d’extraction W = 3,36 eV.

 Calculer l’énergie cinétique EC (en eV) puis la vitesse v de l’électron extrait.

Masse de l’électron : m = 9,11  10^-31 kg

Ex. 8-15-17 p.416 et +

II. Applications de l’interaction photon-matière 1. 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.

2. Cellule photovoltaïque

 Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique et est utilisée pour la production d’électricité.

 Le rendement η d’une cellule photovoltaïque se calcule :

 = E utile

E fournie

= E électrique

E lumineuse

ou  = P électrique

P lumineuse

le rendement  est sans unité (exprimé en % assez souvent) Les énergies sont en joules (J) ; les puissances sont en watts (W)

 La puissance lumineuse reçue P lumineuse dépend de l’éclairement φ, en watt par mètre carré (W.m^-2) et de la surface S de la cellule photovoltaïque en mètre carré (m²). Alors P lumineuse =   S.

 Rappel : la puissance électrique P électrique d’un dipôle soumis à une tension U et traversé par un courant d’intensité I est :

P = U  I (P en W si U en V et I en A) 3. Diode électroluminescente (DEL ou LED)

 Une diode électroluminescente (DEL) est un dispositif dans lequel l’énergie électrique est convertie en énergie lumineuse.

 On interprète l’émission d’un photon par un processus inverse de celui qui se produit dans la cellule photovoltaïque.

 De même que pour l’effet photovoltaïque, l’émission d’un photon nécessite une énergie, ici électrique, minimale pour franchir la bande interdite (ou gap).

 La DEL nécessite une tension minimale, dite tension de seuil, pour s’allumer.

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4. Spectroscopie UV-visible, spectroscopie IR

 Les effets photoélectriques et photovoltaïques correspondent à l’arrachement ou au déplacement d’électrons au sein d’un matériau.

 Dans cette dernière catégorie d’interaction entre lumière et matière, l’énergie du photon absorbé permet à l’atome ou à la molécule d’atteindre un état excité.

 Les niveaux d’énergie de l’atome et de la molécule étant quantifiés, les transitions énergétiques ne peuvent prendre que des valeurs particulières.

 En déterminant les longueurs d’onde des photons émis ou absorbés, on détermine les atomes ou les liaisons moléculaires qui figurent dans l’échantillon.

 C’est donc un procédé précieux d’analyse chimique.

5. Exercice d’application

 On souhaite installer sur le toit d’une maison des panneaux photovoltaïques de dimension 1520 mm  1475mm.

On se propose de déterminer leur rendement pour un flux lumineux surfacique φ propose de 1000 W.m^-2. La documentation nous indique qu’en fonctionnement optimale les panneaux délivrent 8,0 A sous 35 V

Ex.9-10-18 p.417 et +