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7.4: Effet photoélectrique
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MATIÈRES

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Chemistry

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Photoelectric Effect
 
TRANSCRIPTION

7.4: Effet photoélectrique

Lorsque la lumière d'une longueur d'onde particulière frappe une surface métallique, des électrons sont émis. C'est ce que l'on appelle l'effet photoélectrique. La fréquence minimale de la lumière qui peut causer une telle émission d'électrons est appelée la fréquence seuil, qui est spécifique au métal. La lumière dont la fréquence est inférieure à la fréquence seuil, même si elle est de haute intensité, ne peut pas déclencher l'émission d'électrons. Toutefois, lorsque la fréquence est supérieure à la valeur seuil, le nombre d'électrons éjectés est directement proportionnel à l'intensité du faisceau.

Selon la théorie ondulatoire classique, l'énergie d'une onde dépend de son intensité (qui dépend de son amplitude) et non de sa fréquence. Ces observations était en partie dues au fait qu'on pouvait voir le nombre d'électrons éjectés dans une période donnée augmenter à mesure que la luminosité augmentait. En 1905, Albert Einstein a été en mesure de résoudre le paradoxe en intégrant les résultats de quantification de Planck dans le modèle particulaire de la lumière qui était discrédité.

Einstein soutenait que les quantités finies d'énergie postulées par Planck pouvaient être appliquées à la lumière dans l'effet photoélectrique. La lumière frappant la surface métallique ne devait pas être considérée comme une onde, mais devait plutôt être considérée comme un flux de particules (plus tard appelées photons) dont l'énergie dépendait de leur fréquence ; la quantité d'énergie (E) dans un paquet de lumière dépend de sa fréquence (ν) selon l'équation suivante :

Eq1

h est la constante de Planck.

L'effet photoélectrique peut être décrit en supposant que la lumière est quantifiée. Une certaine énergie minimale est nécessaire pour surmonter l'énergie de liaison (Φ) à laquelle un électron est soumis. Ceci est également appelé le travail d'extraction (W) du métal.

Comme les électrons dans le métal ont une certaine quantité d'énergie de liaison les maintenant là, la lumière incidente doit avoir plus d'énergie pour libérer les électrons. Les photons de la lumière basse fréquence ne contiennent pas assez d'énergie pour éjecter les électrons du métal. Même si le métal est exposé à une telle lumière pendant longtemps, aucune émission d'électrons n'est observée. Un électron ne peut être émis que lorsqu'un photon dont l'énergie est supérieure au travail d'extraction frappe le métal.

Eq1

L'énergie excédentaire du photon est convertie en énergie cinétique de l'électron émis.

Eq1

Par conséquent, les électrons sont éjectés lorsqu'ils sont frappés par des photons ayant une énergie suffisante (une fréquence supérieure au seuil). Plus la fréquence de la lumière incidente est élevée, plus l'énergie cinétique transmise lors des chocs aux électrons qui s'échappent est importante. Einstein a également soutenu que l'intensité lumineuse ne dépendait pas de l'amplitude de l'onde entrante, mais correspondait plutôt au nombre de photons frappant la surface dans une période donnée. Le nombre d'électrons éjectés augmente avec la luminosité. Plus le nombre de photons entrants est élevé, plus ils sont susceptibles d'entrer en collision avec certains des électrons.

L'effet photoélectrique suggère fortement le comportement particulaire de la lumière. Einstein a remporté le prix Nobel de physique en 1921 pour son explication de l'effet photoélectrique. Bien que de nombreux phénomènes de lumière puissent être expliqués en termes d'ondes ou de particules, certains phénomènes, tels que les motifs d'interférence obtenus lorsque la lumière passe par une double fente, étaient complètement contraires au point de vue particulaire de la lumière, tandis que d'autres phénomènes, tels que l'effet photoélectrique, étaient complètement contraires au point de vue ondulatoire de la lumière. En quelque sorte, à un niveau plus fondamental encore mal compris, la lumière se comporte à la fois comme une onde et comme une particule. C'est ce que l'on appelle la dualité onde-particule.

Ce texte est adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 6.1 : Énergie électromagnétique.

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