Figure 1 : Un exemple d'enseigne au néon que tu peux voir en passant devant un restaurant, une boutique ou même un magasin. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Alors, sans plus attendre, plongeons-nous dans l'effet photoélectrique!
Tout d'abord, nous allons voir ce qu'est l'effet photoélectrique.
Ensuite, nous aborderons les contributions et les expériences d'Einstein concernant l'effet photoélectrique.
Ensuite, nous examinerons l'équation de l'effet photoélectrique.
Enfin, nous examinerons quelques exemples de l'effet photoélectrique.
Définition de l'effet photoélectrique
Commençons par regarder la définition de l'effet photoélectrique.
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons lorsque de la lumière est projetée sur un métal.
L'émission ou l'éjection d'électrons est causée par l'absorption par un matériau métallique d'un rayonnement électromagnétique, comme la lumière.
Figure 2 : Illustration de l'effet photoélectrique. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Expériences sur l'effet photoélectrique
Les scientifiques, les astronomes, les mathématiciens et même les philosophes ont débattu de la question de savoir si la lumière est une onde ou une particule. Les partisans de la théorie ondulatoire pensaient que la lumière voyageait comme une onde, car le physicien italien Francesco Grimaldi a fait remarquer que la lumière se diffractait comme une onde en 1665.
En revanche, en 1704, Isaac Newton a formulé sa théorie corpusculaire, qui a marqué le début de la théorie des particules de la lumière. Newton a proposé cette théorie après avoir mené des expériences en optique. Newton a soutenu que la nature géométrique des faisceaux de lumière réfractés et réfléchis ne pouvait s'expliquer que si la lumière était composée de particules. Newton a remarqué que seules les particules voyagent en ligne droite, ce qui n'est pas le cas des ondes. À la suite d'expériences en optique, Newton a proposé que la lumière soit composée de petites particules appelées "corpuscules" qui voyagent en ligne droite.
Des scientifiques tels que Christian Huygens ont affirmé à leur tour que la lumière présentait plusieurs caractéristiques ondulatoires telles que la polarisation, la diffraction et le spectre des couleurs, et qu'il ne pouvait donc pas s'agir d'une particule. Alors que le débat sur la nature de la lumière faisait toujours rage, Heinrich Hertz a observé pour la première fois en 1887 ce que nous connaissons aujourd'hui sous le nom d'effet photoélectrique lorsqu'il a augmenté la sensibilité de son premier appareil radio, en projetant de la lumière sur les deux sphères métalliques qui servaient de récepteur.
Alors que la science commençait à accepter la théorie des ondes en raison de l'influence de Huygens et du manque de preuves de Newton , l'introduction de l'effet photoélectrique a entraîné un autre problème. En effet, l'effet photoélectrique ne pouvait pas être expliqué uniquement par les propriétés ondulatoires de la lumière !
Lorsque nous projetons une lumière d'une fréquence suffisante sur une surface métallique, des électrons sont éjectés. Cependant, une augmentation de l'intensité de la lumière n'a aucun effet sur l'énergie des électrons libérés, mais augmente seulement le nombre d'électrons éjectés, ce qui ne peut pas être expliqué par la théorie ondulatoire de la lumière.
La raison pour laquelle l'effet photoélectrique défie la théorie ondulatoire de la lumière est due au fait que lorsque l'intensité augmente, l'énergie de l'onde augmente également, ce qui devrait alors permettre l'éjection d'électrons de la surface d'un métal pour n'importe quelle longueur d'onde de la lumière tant que l'intensité est suffisamment élevée. Cependant, ce n'est pas le cas de l'effet photoélectrique.
Comme l'ont observé les scientifiques, lorsqu'un faisceau de lumière est inférieur à une certaine fréquence, même le faisceau de lumière le plus intense ne peut pas éjecter d'électrons. En revanche, si le faisceau de lumière était supérieur à un certain seuil de fréquence, même le faisceau de lumière le plus faible pouvait éjecter des électrons.
Einstein et l'effet photoélectrique
En 1905, Albert Einstein a tranché le long débat vieux d'un siècle avec la théorie quantique de la lumière.
La théorie quantique de la lumière stipule que la lumière existe sous forme de minuscules particules appelées photons tout en présentant simultanément des propriétés ondulatoires.
En d'autres termes, Einstein a expliqué que la lumière avait ce que nous appelons aujourd'hui une dualité onde-particule.
Mais tu te demandes probablement comment il a pu faire cela alors que tous les autres scientifiques qui l'ont précédé n'y comprenaient rien. Eh bien, la réponse se trouve dans le travail expérimental des scientifiques précédents. Einstein n'a fait que des expériences de pensée, étant un théoricien, mais il a également utilisé les découvertes d'autres scientifiques pour faire des conjectures afin de résoudre les mystères de ce qu'était la lumière.
Cinq ans avant la théorie d'Einstein, Max Planck, en 1900, a théorisé que l'énergie n'est pas continue mais quantifiée.
Lorsque quelque chose est quantifié, cela signifie qu'il ne peut pas avoir n'importe quelle valeur, mais qu'il est limité à certaines valeurs d'énergie ou à des états discrets.
La théorie de Planck sur la quantification de l'énergie proposait que l'énergie ne puisse être émise ou absorbée que sous forme de paquets d'énergie discrets. Dans le cas de la théorie de Planck, ces paquets d'énergie quantifiés, ces quanta d'action, ont ensuite été appelés la constante de Planck, h.
Après avoir pris connaissance des conclusions de Planck, Einstein a émis l'hypothèse que la lumière devait également être quantifiée. Il a appelé ces particules de lumière des photons. Einstein a relié l'énergie d'un photon à sa fréquence grâce à la constante de Planck, E = hν.
La théorie d'Einstein a permis d'expliquer l'effet photoélectrique car elle a démontré qu'il suffit d'un photon dépassant un seuil de fréquence minimum pour éjecter un électron de la surface d'un métal donné.
Figure 3 : L'effet photoélectrique lié à l'intensité et à la fréquence. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Comme le montre la figure 3, il suffit qu'un photon atteigne la fréquence seuil minimale pour éjecter un électron de la surface d'un métal. Mais si aucun des photons n'atteint la fréquence seuil minimale, il n'y aura pas assez d'énergie pour éjecter un électron, quelle que soit l'intensité de la lumière. Cela signifie que si la fréquence de la lumière est trop basse, aucun électron ne sera éjecté du métal, ce qui signifie qu'il n'y aura pas de courant électrique.
En revanche, si la lumière est de faible intensité mais suffisamment énergique pour dépasser le seuil minimal de fréquence, certains électrons sont éjectés, ce qui produit un petit courant.
Enfin, s'il y a une lumière de forte intensité mais encore assez d'énergie pour qu'elle soit supérieure à la fréquence seuil minimale, il y aura plus d'électrons éjectés que dans le scénario précédent et donc un courant élevé.
Il est important de noter que l'intensité de la lumière n'a d'importance qu'une fois que la fréquence seuil minimale de la lumière incidente est atteinte.
La fréquence seuil minimale est la plus petite fréquence requise de la lumière pour qu'un électron soit éjecté d'une surface métallique.
Pour plus d'informations sur la lumière et ses longueurs d'onde et énergies respectives, consulte notre article "Spectre électromagnétique".
Équation de l'effet photoélectrique
Maintenant que nous comprenons comment l'effet photoélectrique a été développé et comment il fonctionne, nous pouvons passer à la compréhension de son calcul.
L'énergie d'un photon peut être donnée par :
$$E=h\nu$$.
où la constante de Planck est h = 6,63 X 10-34 J-s, et la fréquence du photon est ν en Hertz (Hz).
En d'autres termes, pour calculer l'énergie d'un photon, nous utilisons la constante de Planck et la fréquence du photon. Une autre chose importante à savoir est que, puisque la lumière est à la fois une particule et une onde, comment pouvons-nous relier la fréquence à la longueur d'onde ?
La réponse est la suivante :
L'équation des ondes
\N( c = \Nlambda\Nu \N)
où la longueur d'onde est λ ,en mètres, la fréquence du photon est ν, en Hertz (Hz), et la vitesse de la lumière est c = 3,00 X108 m/s.
Cela signifie que la fréquence et la longueur d'onde sont inversement proportionnelles l'une à l'autre.
Comment faire le lien avec l'équation de l'effet photoélectrique ? Comme nous savons que l'effet photoélectrique se produit lorsque de la lumière dépassant un certain seuil de fréquence est projetée sur une surface métallique, il en résulte l'éjection de photoélectrons.
Cela suggère que nous voulons trouver l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés. L'énergie cinétique est l'énergie que possède une chose parce qu'elle est en mouvement.
La loi de la conservation de l'énergie nous dit que "l'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement convertie", ce qui signifie que l'énergie totale d'un photon (E) est égale à l'énergie cinétique maximale d'un électron éjecté (\(E_k\)) et à l'énergie nécessaire pour éjecter un électron d'une surface métallique(Φ).
\(E= E_k + \phi \)
La partie de l'énergie requise pour éjecter un électron d'une surface métallique(Φ) est appelée fonction de travail .
Einstein pensait qu'un photon traverserait le matériau métallique et transférerait son énergie à un électron. Lorsque l'électron se déplace à travers le métal et est éjecté, l'énergie cinétique diminue de l'énergie requise pour éjecter un électron d'une surface métallique, symbolisée par, Φ .
Puisque l'énergie du photon est $$E=h\nu$$ alors :
Alors
\N(E= h\Nu= E_k + \Nphi \N)
En résolvant \ (E_k\) ou l'énergie cinétique maximale de l'électron, nous obtenons l'équation de l'effet photoélectrique:
\(E_k= h\nu - \phi \)
Exemples d'effet photoélectrique
Après avoir parcouru les équations de l'effet photoélectrique, nous devrions apprendre à les appliquer à certains exemples, qui sont fournis ci-dessous.
Quelle est l'énergie en joules d'un photon d'une longueur d'onde de 550 nm, la lumière verte ?
Comme nous cherchons l'énergie en joules mais que nous ne disposons que de la longueur d'onde en nanomètres, nm, nous devons convertir les nanomètres en mètres, qui est la dimension de la longueur pour le joule :
Figure 4 : Formule pour trouver l'énergie en joules. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
h= \(6.63\times10^{-34}\space{J.s}\)
c= \(3.00\times10^{8}\space{m/s}\)
λ= conversion de nm en m
Figure 5 : Conversion des nanomètres (nm) en mètres (m). Daniela Lin, Study Smarter Originals.
Figure 6 : Formule pour trouver l'énergie en joules résolue. Daniela Lin, Study Smarter Originals.
E = \(3,62\times10^{-19}\space{J}\)
La même lumière verte d'une longueur d'onde de 550 nm, provenant du haut, est projetée sur une surface métallique en zinc, ce qui entraîne l'émission de photoélectrons. Le photoélectron du zinc a une fonction de travail de 4,31 eV. Trouve l'énergie cinétique maximale du photoélectron éjecté, \(E_k \).
Pour trouver l'énergie cinétique maximale de l'électron ou \ (E_k\) , nous utilisons l'équation de l'effet photoélectrique :
\(E_k= h\nu - \phi \)
où : \(E= h\nu \N). Ainsi,d'après le problème ci-dessus :
\N(h\Nu= \N) \N (3.62\Nfois10^{-19}\Nspace{J}\N)
et
\N( \Nphi \N) = 4,31 eV
Ainsi ,
\N(E_k \N) = \N (3,62 fois10^{-19}\space{J}\N) - 4,32 eV
Nous devons convertir les joules en électrons-volts (eV), ce qui signifie que nous avons besoin du facteur de conversion qui relie 1 ev aux joules. Ce facteur est donc donné :
1 eV= \ (1.602\times10^{-19}\space{J}\)
nous trouvons que,
\(3,62\times10^{-19}\space{J}\) x \ ( \frac {1 eV} {1,602\times10^{-19} J} \) = 2,26 eV
En introduisant cette valeur dans l'équation de \N(E_k\N), nous obtenons :
\(E_k \)= 2.26 eV -4.31 eV = -2.05 eV
Effet photoélectrique - Points clés
L'effet photoélectrique résulte de l'émission d'électrons lorsque de la lumière dépassant un seuil de fréquence spécifique au métal est projetée sur ce dernier.
La théorie quantique de la lumière stipule que la lumière existe sous forme de minuscules particules appelées photons tout en présentant simultanément des propriétés ondulatoires. En d'autres termes, Einstein a expliqué que la lumière présentait ce que nous appelons aujourd'hui une dualité onde-particule.
La théorie d'Einstein a permis d'expliquer l'effet photoélectrique parce qu'il suffit d'un photon d'une fréquence minimale pour éjecter des électrons.
Il est important de noter que l'intensité de la lumière n'a d'importance que lorsque la fréquence seuil minimale de l'énergie lumineuse incidente est atteinte.
Références
- Libretexts. (2022, 21 avril). 2.3 : L'effet photoélectrique. LibreTextes de chimie.
- Elert, G. (s.d.). L'effet photoélectrique. L'hypertexte de la physique.
- Libretexts. (2021, 26 décembre). 6.2 : La quantification : Planck, Einstein, l'énergie et les photons. Chimie LibreTexts.
- Ling, S. J., Sanny, J., & Moebs, W. (2016). Chapitre 6.2/Effet photo-électrique . Dans le volume 3 de la physique universitaire. OpenStax.
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