L'effet photoélectrique - Ts
Classe:
Terminale
Le modèle ondulatoire de la lumière explique bien les phénomènes de la diffraction et d'interférences lumineuses. Mais d'autres découvertes, comme le spectre lumineux et l'effet photoélectrique ont montré l'insuffisance de la théorie ondulatoire de la lumière. On est amené à faire appel au modèle corpusculaire de la lumière
I. Effet photoélectrique
1. Mise en évidence expérimentale : Expérience de Hertz
Une lame de zinc fraichement décapée est placée sur un électroscope
On éclaire cette plaque à l'aide d'une lampe à vapeur de mercure dont la caractéristique est d'émettre un rayonnement riche en radiations ultra-violettes.
L'électroscope chargé négativement se décharge progressivement (1). En introduisant une plaque de verre, absorbant les radiations ultra-violettes $UV$ mais transparente aux radiations visibles, l'électroscope reste chargé même après une illumination prolongée (2)
2. Conclusion
Les électrons en excès sur la lame de $Z_{n}$ sont arrachés au métal : c'est l'effet photoélectrique.
Cet effet ne se produit pas pour des rayonnements peu énergétiques comme la lumière visible (grandes longueurs d'onde) mais qu'avec les $UV$ (longueurs d'onde plus petites).
Une illumination prolongée de lumière visible ne permet pas d' « accumuler de l'énergie » pour extraire les $e^{-}$ (contrairement à une succession de vagues qui pourraient finir par « casser une digue »). Ce phénomène, appelé photoélectrique, peut être observé avec d'autres métaux soumis à d'autres rayonnements.
De manière générale, on appelle effet photoélectrique, l'émission d'électrons par des métaux convenablement éclairés
II. La théorie d'Einstein
1. Hypothèse d'Einstein
Afin d'expliquer le résultat de l'effet photoélectrique, Einstein émit de l'hypothèse que la lumière devrait être considéré comme un flux de particules élémentaires appelées photons (grains de photons). Chacun de ces photons, de masse nulle et aminé de la célérité de la lumière transporte avec lui une énergie $E$ doit être qui doit être suffisante pour permettre l'expulsion d'électrons du métal.
$$E=hv=\dfrac{hc}{\lambda}$$
$E$ en joules $(J)$
$h$ est la constante de Planck en joules seconde $\left(J\cdot s^{-1}\right)$ $h=6.62\cdot 10^{-34}J\cdot s$
$c$ en mètres par seconde $\left(m\cdot s^{-1}\right)$ ; $\lambda$ la longueur d'onde en mètre $(m)$
2. Le phénomène seuil
Une masse métallique est formée d'ions positifs disposés de façon régulière entre circulent les électrons. Ces électrons restent dans la masse métallique liés aux réseaux d'ions. Un électron ne peut sortir de la masse métallique que s'il acquiert une énergie minimale $E_{0}$ dite énergie d'extraction.
$$E_{0}=hv_{0}=\dfrac{hc}{\lambda_{0}}$$
$v_{0}$ est la fréquence seuil caractéristique du métal ;
$\lambda_{0}$ est la longueur d'onde seuil caractéristique du métal
Si le photon incident a une énergie supérieure à l'énergie d'extraction (ou travail d'extraction), le surplus d'énergie se trouve sous forme d'énergie cinétique pour l'électron
$E_{c}=E-E_{0}\Rightarrow E_{c}=h(v-v_{0})\quad\text{ou}\quad E_{c}=hc\left(\dfrac{1}{\lambda}-\dfrac{1}{\lambda_{0}}\right)$
3. Application de l'effet photoélectrique
Le soleil est une source d'énergie inépuisable, l'exploitation de son rayonnement pour produire de l'électricité a été possible par la compréhension de l'effet photoélectrique : un panneau photovoltaïque convertit une partie de l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique.
4. Dualité onde-corpuscule
La lumière se présente sous aspects :
$-\ $un aspect corpusculaire où la lumière est formée de corpuscules appelés photons animés de la célérité de la lumière et transportant un quantum d'énergie
$-\ $un aspect ondulatoire où la lumière est considérée comme un phénomène vibratoire se propageant par onde.
(La lumière a un comportement double : selon les circonstances, elle se comporte comme une onde ou comme un faisceau de particules.On parle de dualité onde-corpuscule)
Ajouter un commentaire