Effet photoélectrique

L’effet photoélectrique est un phénomène physique de base qui a non seulement une variété d’applications pratiques actuelles, mais a également inspiré un tout nouveau domaine de la science.

Un métal contient de nombreux électrons mobiles. Ces électrons peuvent être excités lorsqu’ils reçoivent de l’énergie. Et, si l’énergie est suffisamment élevée, les électrons peuvent être excités hors du métal.

Lorsqu’une telle excitation est réalisée avec de la lumière, les électrons éjectés sont connus sous le nom de photoélectrons, d’où le nom de cet effet - l’effet photoélectrique.

Ici, nous allons démontrer l’effet photoélectrique à l’aide d’une plaque de zinc métallique chargée qui est soumise à la lumière régulière d’une lampe et à la lumière ultraviolette.

Avant d’apprendre à réaliser l’expérience et à collecter des données, discutons des paramètres et des principes qui régissent cet effet. Il a été observé que pour que l’effet photoélectrique se produise, la fréquence 'f' de la lumière doit dépasser un seuil minimal 'f0' (lecture - f-zéro).

Pour comprendre pourquoi c’est important, zoomons et jetons un coup d’œil à ce processus au niveau microscopique. Lorsque la lumière est projetée sur un métal, les photons lumineux individuels sont absorbés par les électrons du métal. Maintenant, pour que ces électrons soient libérés du métal, ils doivent effectuer un certain travail.

Ainsi, l’énergie du photon absorbé E devrait être supérieure à cette « fonction de travail » W du métal, où la fonction de travail représente l’énergie minimale, ou l’énergie seuil, nécessaire pour libérer un électron d’un métal spécifique.

Or, puisque l’énergie du photon est directement proportionnelle à la fréquence de la lumière, l’énergie seuil correspond à la fréquence seuil f0.

La relation entre l’énergie et la fréquence est donnée par cette équation, où 'h' est la constante de Plank. La même équation peut également être utilisée pour calculer la fréquence de seuil.

Par exemple, la fonction de travail du zinc est de 4,3 électron-volts. Cela signifie que la fréquence seuil pour que l’effet photoélectrique se produise dans le zinc sera de 10^15 Hertz, ce qui correspond à une longueur d’onde seuil ?0 de 300 nanomètres. Une longueur d’onde aussi courte correspond à la lumière UV

Après avoir passé en revue les principes de l’effet photoélectrique, passons maintenant en revue le protocole étape par étape pour démontrer cet effet à travers une expérience simple.

Procurez-vous tous les instruments et matériaux nécessaires à l’expérience, à savoir un électroscope, une plaque métallique de zinc, un morceau de papier de verre, une source UV dont la longueur d’onde est inférieure à 300 nm, une lampe ordinaire fournissant une lumière visible, une tige en acrylique, un morceau de fourrure et une paire de lunettes de protection UV.

Tout d’abord, à l’aide du papier de verre, polissez la surface de la plaque de zinc. Cela permet d’éliminer l’oxyde de zinc sur la surface métallique et de faciliter le transfert d’électrons. Placez la plaque de zinc sur la plaque métallique de l’électroscope. Assurez-vous que la plaque de zinc est en contact direct avec l’électroscope.

Ensuite, frottez la tige avec le morceau de fourrure cinq à six fois, pour rendre la tige chargée négativement. Approchez la tige de la plaque de zinc en veillant à ne pas les mettre en contact les unes avec les autres.

À l’aide de l’autre main, touchez brièvement la plaque de zinc, pour charger positivement la plaque de zinc par induction. L’aiguille de l’électroscope doit dévier pour indiquer que la plaque métallique et toutes les pièces de l’électroscope qui y sont connectées sont chargées.

Ensuite, allumez la lampe visible et rapprochez-la de l’électroscope et dirigez sa lumière sur la plaque de zinc. Observez la réponse de l’électroscope.

Maintenant, éteignez la lampe ordinaire et mettez les lunettes de protection UV. Retirez la plaque de verre et allumez la lampe pour obtenir une source de lumière UV et rapprochez-la de l’électroscope. Faites briller la lumière UV sur le zinc métallique. Observez la réponse de l’électroscope. Éteignez ensuite la lumière UV.

Maintenant, frottez à nouveau la tige avec la fourrure cinq à six fois, pour que la tige soit chargée négativement. Mettez la tige en contact direct avec la plaque de zinc.

Cela entraînera une déviation de l’aiguille de l’électroscope en raison du transfert de certaines charges négatives sur la plaque de zinc. Rangez la tige et assurez-vous de ne pas toucher la plaque de zinc avec votre main ou tout autre objet.

Ensuite, allumez la lampe visible et rapprochez-la de l’électroscope et dirigez sa lumière sur la plaque de zinc. Observez la réponse de l’électroscope.

Mettez les lunettes de protection UV. Retirez la plaque de verre, allumez la lumière UV et rapprochez-la de l’électroscope. Faites briller la lumière UV sur le zinc métallique. Observez la réponse de l’électroscope. Éteignez ensuite la lumière UV.

Passons maintenant en revue et interprétons les résultats de ces expériences.

Dans la première moitié de l’expérience, où la tige chargée et la plaque de zinc ne sont pas en contact direct l’une avec l’autre, l’aiguille reste déviée pour la lampe ordinaire et pour l’éclairage par lumière UV, ce qui indique que la plaque de zinc reste chargée.

Cela se produit parce que la plaque de zinc, qui a déjà perdu quelques électrons pour devenir chargée positivement, perd encore plus de photoélectrons lorsque la lumière UV est dirigée dessus. Cela ne fait que rendre la plaque de zinc légèrement plus chargée positivement, déviant un peu plus l’aiguille de l’électroscope.

D’autre part, lorsque la tige chargée et la plaque de zinc sont mises en contact l’une avec l’autre, nous observons que l’utilisation de la lumière régulière de la lampe n’a aucun effet sur l’électroscope. Cependant, l’utilisation de la lampe UV entraîne l’affaissement de l’aiguille de l’électroscope et son retour à la position non chargée sans déviation

Cela se produit parce que seuls les photons de la lumière UV ont suffisamment d’énergie supérieure à la fonction de travail du zinc pour éjecter les photoélectrons. Cela décharge la plaque de zinc qui était auparavant chargée négativement.

Comme dans le cas précédent, la lumière visible n’a pas assez d’énergie pour exciter les photoélectrons, ce qui empêche la plaque de zinc de se décharger.

La photoélectronique est étudiée depuis de nombreuses décennies et a conduit au développement de nouveaux domaines d’étude et de multiples applications.

L’effet photoélectrique a été utilisé pour fabriquer divers dispositifs optoélectroniques ayant des applications pratiques variées. Un exemple de dispositif optoélectronique est l’interrupteur électrique photosensible.

Ici, le blocage ou le déblocage d’un faisceau lumineux brillant sur un métal éteint ou allume un courant électrique en raison de l’absence ou de la présence de photoélectrons.

Les appareils de vision nocturne ou NVD utilisent également les principes de l’effet photoélectrique pour permettre la production d’images à des niveaux de lumière proches de l’obscurité totale. En bref, les photons frappant une fine pellicule de métal alcalin ou de matériau semi-conducteur à l’intérieur de l’appareil provoquent l’éjection de photoélectrons en raison de l’effet photoélectrique.

Ces électrons sont accélérés par un champ électrostatique et multipliés par des émissions secondaires pour intensifier le signal d’origine. Les électrons multipliés sont ensuite amenés à frapper un écran recouvert de phosphore, reconvertissant les électrons en photons, formant ainsi une image.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à l’effet photoélectrique. Vous devez maintenant comprendre les concepts de base de l’effet photoélectrique et comprendre pourquoi les métaux chargés ne peuvent être déchargés qu’en utilisant la lumière d’une fréquence spécifique. De plus, cette vidéo a démontré une expérience simple permettant de visualiser l’effet photoélectrique à l’aide d’une plaque de zinc métallique chargée exposée à la lumière visible et à la lumière UV. Merci d’avoir regardé !