Objectifs d’apprentissage
- Décrivez l’effet photoélectrique.
Êtes-vous un fan de science-fiction?
Dans de vieilles histoires de science-fiction (années 1950), l’un des thèmes du voyage dans l’espace était l’utilisation de voiles solaires pour la propulsion. L’idée était que la pression des photons du soleil pousserait la voile (comme les voiles du vent) et déplacerait l’engin spatial. Ce qui était autrefois de la science-fiction est maintenant la réalité alors que des voiles solaires sont développées et testées pour les voyages spatiaux modernes.
Effet photoélectrique et Nature particulaire de la Lumière
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) a proposé que la lumière soit décrite comme des quanta d’énergie qui se comportent comme des particules. Un photon est une particule de rayonnement électromagnétique qui a une masse nulle et qui porte un quantum d’énergie. L’énergie des photons de la lumière est quantifiée selon l’équation E = hv. Pendant de nombreuses années, la lumière avait été décrite en utilisant uniquement des concepts d’ondes, et les scientifiques formés en physique classique ont trouvé que cette dualité onde-particule de la lumière était une idée difficile à accepter. Une expérience clé expliquée par Einstein en utilisant la nature des particules de la lumière s’appelait l’effet photoélectrique.
L’effet photoélectrique est un phénomène qui se produit lorsque la lumière brille sur une surface métallique provoque l’éjection d’électrons de ce métal. Il a été observé que seules certaines fréquences de la lumière sont capables de provoquer l’éjection d’électrons. Si la fréquence de la lumière incidente est trop faible (lumière rouge, par exemple), aucun électron n’a été éjecté même si l’intensité de la lumière était très élevée ou si elle brillait à la surface pendant une longue période. Si la fréquence de la lumière était plus élevée (lumière verte, par exemple), les électrons pouvaient être éjectés de la surface métallique même si l’intensité de la lumière était très faible ou si elle ne brillait que pendant une courte période. Cette fréquence minimale nécessaire pour provoquer l’éjection d’électrons est appelée fréquence seuil.
La physique classique était incapable d’expliquer l’effet photoélectrique. Si la physique classique s’appliquait à cette situation, l’électron dans le métal pourrait éventuellement collecter suffisamment d’énergie pour être éjecté de la surface même si la lumière entrante était de basse fréquence. Einstein a utilisé la théorie des particules de la lumière pour expliquer l’effet photoélectrique comme le montre la figure ci-dessous.
Figure 1. La lumière basse fréquence (rouge) est incapable de provoquer l’éjection d’électrons de la surface métallique. À ou au-dessus de la fréquence seuil (verte), les électrons sont éjectés. La lumière entrante à fréquence encore plus élevée (bleue) provoque l’éjection du même nombre d’électrons mais avec une plus grande vitesse.
Figure 2. Les cellules photoélectriques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique qui alimente ce calculateur.
Considérons l’équation E=hv. Le E est l’énergie minimale requise pour que l’électron du métal soit éjecté. Si la fréquence de la lumière entrante, v, est inférieure à la fréquence seuil, il n’y aura jamais assez d’énergie pour que l’électron soit éjecté. Si la fréquence est égale ou supérieure à la fréquence seuil, les électrons seront éjectés.
Lorsque la fréquence augmente au-delà du seuil, les électrons éjectés se déplacent simplement plus rapidement. Une augmentation de l’intensité de la lumière entrante supérieure à la fréquence seuil entraîne une augmentation du nombre d’électrons éjectés, mais ils ne voyagent pas plus vite. L’effet photoélectrique est appliqué dans des dispositifs appelés cellules photoélectriques, que l’on trouve couramment dans des objets de tous les jours tels qu’une calculatrice qui utilise l’énergie de la lumière pour générer de l’électricité.
Résumé
- La lumière a des propriétés à la fois d’une onde et d’une particule.
- L’effet photoélectrique est produit par la lumière frappant un métal et délogeant les électrons formant la surface du métal.
Pratique
Utilisez le lien ci-dessous pour répondre aux questions suivantes:
http://www.citycollegiate.com/physicsXII_photocell.htm
- Quel est le matériau émetteur dans cette cellule photoélectrique?
- Qu’est-ce qui provoque l’émission de photoélectrons ?
- Le courant augmente-t-il ou diminue-t-il avec une augmentation de l’intensité lumineuse?
- Que se passe-t-il si la lumière ne frappe pas la cathode?
Revue
- Quelles sont les propriétés d’un photon?
- Que montre l’effet photoélectrique sur les propriétés de la lumière?
- Comment la fréquence de la lumière affecte-t-elle la libération de photons?
Glossaire
- cellule photoélectrique: Utilisez l’énergie de la lumière pour produire de l’électricité.
- effet photoélectrique: Un phénomène qui se produit lorsque la lumière brille sur une surface métallique provoque l’éjection d’électrons de ce métal.
- photon : Particule de rayonnement électromagnétique de masse nulle et porteuse d’un quantum d’énergie.
- fréquence seuil : Fréquence minimale nécessaire pour provoquer l’éjection d’électrons.