Effet photoélectrique: définition, équation et expérience

Tout ce qui a été appris en physique classique a été bouleversé alors que les physiciens exploraient des royaumes de plus en plus petits et découvraient les effets quantiques. Parmi les premières de ces découvertes figurait l'effet photoélectrique. Au début des années 1900, les résultats de cet effet ne correspondaient pas aux prédictions classiques et n'étaient explicables qu'avec la théorie quantique, ouvrant un tout nouveau monde aux physiciens.

Aujourd'hui, l'effet photoélectrique a également de nombreuses applications pratiques. De l'imagerie médicale à la production d'énergie propre, la découverte et l'application de cet effet ont désormais des implications qui vont bien au-delà de la simple compréhension de la science.

Lorsque la lumière, ou le rayonnement électromagnétique, frappe un matériau tel qu'une surface métallique, ce matériau émet parfois des électrons, appelésphotoélectrons. Ceci est essentiellement dû au fait que les atomes du matériau absorbent le rayonnement sous forme d'énergie. Les électrons dans les atomes absorbent le rayonnement en sautant à des niveaux d'énergie plus élevés. Si l'énergie absorbée est suffisamment élevée, les électrons quittent entièrement leur atome d'origine.

Ce processus est parfois aussi appeléphotoémissioncar les photons incidents (autre nom des particules de lumière) sont la cause directe de l'émission d'électrons. Parce que les électrons ont une charge négative, la plaque métallique à partir de laquelle ils ont été émis est laissée ionisée.

Ce qui était le plus spécial à propos de l'effet photoélectrique, cependant, était qu'il ne suivait pas les prédictions classiques. La façon dont les électrons ont été émis, le nombre qui a été émis et comment cela a changé avec l'intensité de la lumière, tout cela a d'abord laissé les scientifiques se gratter la tête.

Les prédictions originales quant aux résultats de l'effet photoélectrique faites à partir de la physique classique comprenaient ce qui suit :

1. Transferts d'énergie du rayonnement incident aux électrons. On supposait que toute énergie incidente sur le matériau serait directement absorbée par les électrons des atomes, quelle que soit la longueur d'onde. Cela a du sens dans le paradigme de la mécanique classique: tout ce que vous versez dans le seau remplit le seau de cette quantité.
2. Les changements d'intensité lumineuse devraient produire des changements dans l'énergie cinétique des électrons. Si l'on suppose que les électrons absorbent tout rayonnement incident sur eux, alors plus du même rayonnement devrait leur donner plus d'énergie en conséquence. Une fois que les électrons ont quitté les limites de leurs atomes, cette énergie est vue sous forme d'énergie cinétique.
3. Une lumière de très faible intensité devrait produire un délai entre l'absorption de la lumière et l'émission d'électrons. Cela serait dû au fait que l'on supposait que les électrons devaient gagner suffisamment d'énergie pour quitter leur atome d'origine, et la lumière de faible intensité revient à ajouter plus lentement de l'énergie à leur « seau » énergétique. Il faut plus de temps pour se remplir, et donc cela devrait prendre plus de temps avant que les électrons aient suffisamment d'énergie pour être émis.

Les résultats réels n'étaient pas du tout cohérents avec les prévisions. Cela comprenait les éléments suivants :

1. Les électrons n'étaient libérés que lorsque la lumière incidente atteignait ou dépassait une fréquence seuil. Aucune émission ne s'est produite en dessous de cette fréquence. Peu importe que l'intensité soit élevée ou faible. Pour une raison quelconque, la fréquence, ou la longueur d'onde de la lumière elle-même, était beaucoup plus importante.
2. Les changements d'intensité n'ont pas produit de changements dans l'énergie cinétique des électrons. Ils ne modifiaient que le nombre d'électrons émis. Une fois la fréquence seuil atteinte, l'augmentation de l'intensité n'ajoutait plus du tout d'énergie à chaque électron émis. Au lieu de cela, ils se sont tous retrouvés avec la même énergie cinétique; ils étaient juste plus nombreux.
3. Il n'y avait pas de décalage temporel aux faibles intensités. Il ne semblait pas y avoir de temps nécessaire pour "remplir le seau d'énergie" d'un électron donné. Si un électron devait être émis, il l'était immédiatement. Une intensité plus faible n'a eu aucun effet sur l'énergie cinétique ou le temps de latence; cela a simplement entraîné l'émission de moins d'électrons.

La seule façon d'expliquer ce phénomène était d'invoquer la mécanique quantique. Considérez un faisceau de lumière non pas comme une onde, mais comme un ensemble de paquets d'ondes discrets appelés photons. Les photons ont tous des valeurs énergétiques distinctes qui correspondent à la fréquence et à la longueur d'onde de la lumière, comme l'explique la dualité onde-particule.

De plus, considérez que les électrons ne sont capables de sauter qu'entre des états d'énergie discrets. Ils ne peuvent avoir que des valeurs énergétiques spécifiques, mais jamais de valeurs intermédiaires. Or, les phénomènes observés peuvent s'expliquer de la manière suivante :

1. Les électrons ne sont libérés que lorsqu'ils absorbent des valeurs d'énergie suffisantes très spécifiques. Tout électron qui obtient le bon paquet d'énergie (énergie photonique) sera libéré. Aucun n'est libéré si la fréquence de la lumière incidente est trop faible, quelle que soit l'intensité, car aucun des paquets d'énergie n'est individuellement assez grand.
2. Une fois la fréquence seuil dépassée, l'augmentation de l'intensité ne fait qu'augmenter le nombre d'électrons libéré et non l'énergie des électrons eux-mêmes car chaque électron émis absorbe un discret photon. Une plus grande intensité signifie plus de photons, et donc plus de photoélectrons.
3. Il n'y a pas de délai même à faible intensité tant que la fréquence est suffisamment élevée car dès qu'un électron obtient le bon paquet d'énergie, il est libéré. Une faible intensité ne fait que produire moins d'électrons.

Un concept important lié à l'effet photoélectrique est la fonction de travail. Également appelée énergie de liaison aux électrons, il s'agit de l'énergie minimale nécessaire pour retirer un électron d'un solide.

La formule du travail de sortie est donnée par :

Où-eest la charge électronique,ϕest le potentiel électrostatique dans le vide à proximité de la surface etEest le niveau de Fermi des électrons dans le matériau.

Le potentiel électrostatique est mesuré en volts et est une mesure de l'énergie potentielle électrique par unité de charge. D'où le premier terme de l'expression,-eϕ, est l'énergie potentielle électrique d'un électron près de la surface du matériau.

Le niveau de Fermi peut être considéré comme l'énergie de l'électron le plus externe lorsque l'atome est dans son état fondamental.

La fréquence de seuil est étroitement liée à la fonction de travail. Il s'agit de la fréquence minimale à laquelle les photons incidents provoqueront l'émission d'électrons. La fréquence est directement liée à l'énergie (une fréquence plus élevée correspond à une énergie plus élevée), d'où la nécessité d'atteindre une fréquence minimale.

Au-dessus de la fréquence seuil, l'énergie cinétique des électrons dépend de la fréquence et non de l'intensité de la lumière. Fondamentalement, l'énergie d'un seul photon sera entièrement transférée à un seul électron. Une certaine quantité de cette énergie est utilisée pour éjecter l'électron, et le reste est son énergie cinétique. Encore une fois, une plus grande intensité signifie simplement que plus d'électrons seront émis, pas que ceux émis auront plus d'énergie.

L'énergie cinétique maximale des électrons émis peut être trouvée via l'équation suivante :

OùK_maxest l'énergie cinétique maximale du photoélectron,hest la constante de Planck = 6.62607004 ×10^-34 m²kg/s,Fest la fréquence de la lumière etF₀est la fréquence seuil.

Vous pouvez imaginer la découverte de l'effet photoélectrique en deux étapes. Premièrement, la découverte de l'émission de photoélectrons de certains matériaux en raison de la lumière incidente, et deuxièmement, la détermination que cet effet n'obéit pas du tout à la physique classique, ce qui a conduit à de nombreux fondements importants de notre compréhension de la quantique mécanique.

Heinrich Hertz a observé pour la première fois l'effet photoélectrique en 1887 lors d'expériences avec un générateur d'éclateur. La configuration impliquait deux paires de sphères métalliques. Les étincelles générées entre le premier ensemble de sphères induiraient des étincelles à sauter entre le deuxième ensemble, agissant ainsi comme transducteur et récepteur. Hertz a pu augmenter la sensibilité de la configuration en l'éclairant. Des années plus tard, J.J. Thompson a découvert que la sensibilité accrue résultait de la lumière provoquant l'éjection des électrons.

Alors que l'assistant de Hertz, Phillip Lenard, a déterminé que l'intensité n'affectait pas l'énergie cinétique des photoélectrons, c'est Robert Millikan qui a découvert la fréquence de seuil. Plus tard, Einstein a pu expliquer l'étrange phénomène en supposant la quantification de l'énergie.

Albert Einstein a reçu le prix Nobel en 1921 pour sa découverte de la loi du photoélectrique effet, et Millikan a remporté le prix Nobel en 1923 également pour des travaux liés à la compréhension de la photoélectrique effet.

L'effet photoélectrique a de nombreuses utilisations. L'un d'eux est qu'il permet aux scientifiques de sonder les niveaux d'énergie des électrons dans la matière en déterminant la fréquence seuil à laquelle la lumière incidente provoque une émission. Des tubes photomultiplicateurs utilisant cet effet ont également été utilisés dans les caméras de télévision plus anciennes.

Une application très utile de l'effet photoélectrique est dans la construction de panneaux solaires. Les panneaux solaires sont des réseaux de cellules photovoltaïques, qui sont des cellules qui utilisent des électrons éjectés des métaux par le rayonnement solaire pour générer du courant. En 2018, près de 3% de l'énergie mondiale est générée par des panneaux solaires, mais ce nombre est devrait croître considérablement au cours des prochaines années, d'autant plus que l'efficacité de ces panneaux augmente.

Mais plus important encore, la découverte et la compréhension de l'effet photoélectrique ont jeté les bases du domaine de la mécanique quantique et d'une meilleure compréhension de la nature de la lumière.

De nombreuses expériences peuvent être réalisées dans un laboratoire d'introduction à la physique pour démontrer l'effet photoélectrique. Certains d'entre eux sont plus compliqués que d'autres.

Une expérience simple démontre l'effet photoélectrique avec un électroscope et une lampe UV-C fournissant une lumière ultraviolette. Placez une charge négative sur l'électroscope de sorte que l'aiguille dévie. Ensuite, faites briller la lampe UV-C. La lumière de la lampe libérera des électrons de l'électroscope et le déchargera. Vous pouvez voir que cela se produit en voyant la déviation de l'aiguille diminuer. Notez, cependant, que si vous tentiez la même expérience avec un électroscope chargé positivement, cela ne fonctionnerait pas.

Il existe de nombreuses autres manières possibles d'expérimenter l'effet photoélectrique. Plusieurs configurations impliquent une cellule photoélectrique constituée d'une grande anode qui, lorsqu'elle est frappée par une lumière incidente, libère des électrons qui sont captés par une cathode. Si cette configuration est connectée à un voltmètre, par exemple, l'effet photoélectrique deviendra apparent lorsque le fait de briller la lumière crée une tension.

Des configurations plus complexes permettent une mesure plus précise et vous permettent même de déterminer la fonction de travail et les fréquences de seuil pour différents matériaux. Voir la section Ressources pour les liens.