⚛ Spécialité Physique-Chimie · Physique Terminale Générale · Chapitre 9

La lumière : photons et effet photoélectrique

Modèle du photon, énergie E = h?, effet photoélectrique et équation d'Einstein, cellules photovoltaïques et rendement, dualité onde-particule et longueur d'onde de de Broglie.

1. Le photon

Définition

La lumière est aussi constituée de « grains » d'énergie, les photons, de masse nulle, se déplaçant à la vitesse $c$. Un photon de fréquence $\nu$ transporte l'énergie $$E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}$$ avec $h = 6{,}63 \times 10^{-34}$ J·s (constante de Planck). On utilise aussi l'électronvolt : $1$ eV $= 1{,}60 \times 10^{-19}$ J.

2. L'effet photoélectrique

Définition

Un métal éclairé peut émettre des électrons : c'est l'effet photoélectrique. Il n'a lieu que si la fréquence de la lumière dépasse une fréquence seuil $\nu_0$, quelle que soit l'intensité lumineuse. Ce fait, inexplicable par le modèle ondulatoire, a été interprété par Einstein en 1905 avec les photons.

Propriété · Équation d'Einstein

Un photon cède toute son énergie à un électron ; une partie, le travail d'extraction $W$, sert à l'arracher au métal : $$E_{c,\max} = h\nu - W \quad \text{avec } W = h\nu_0$$ L'intensité lumineuse fixe seulement le nombre d'électrons émis.

24681012-2-1120? (10¹? Hz)E_c max (eV)?? (seuil)?Wpente h
Effet photoélectrique (sodium, W ? 2,3 eV) : E_c max = h? ? W ; aucun électron n'est émis sous la fréquence seuil ??.

Expérience · L'expérience de Hertz

Matérielplaque de zinc fraîchement décapée fixée sur un électroscope, lampe UV, lampe à incandescence puissante, plaque de verre.
ProtocoleOn charge négativement l'électroscope, puis on éclaire le zinc successivement avec la lampe à incandescence, la lampe UV, puis la lampe UV à travers une plaque de verre (qui absorbe les UV).
ObservationL'électroscope se décharge seulement avec la lampe UV sans verre ; la lampe à incandescence, même très puissante, ne produit rien.
InterprétationSeuls les photons UV ont une énergie supérieure au travail d'extraction du zinc ($4{,}3$ eV) : ils arrachent des électrons. L'intensité ne compense pas une fréquence trop faible.

3. Applications et dualité

Exemple · Cellule photovoltaïque

Dans un semi-conducteur, un photon d'énergie supérieure à l'énergie de « gap » libère un électron qui participe au courant. Rendement : $\eta = \dfrac{P_\text{électrique}}{P_\text{lumineuse}}$, environ $20\,\%$ pour le silicium.

Propriété · Dualité onde-particule

La lumière se comporte comme une onde (diffraction, interférences) ou comme un ensemble de particules (effet photoélectrique). Inversement, des particules comme les électrons peuvent être diffractées, avec la longueur d'onde de de Broglie $\lambda = \dfrac{h}{p} = \dfrac{h}{mv}$.

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Exercices corrigés

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1

Énergie d'un photon

★☆☆

Calculer en J puis en eV l'énergie d'un photon de longueur d'onde $500$ nm ($c = 3{,}00 \times 10^8$ m/s).

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2

Effet photoélectrique

★★☆

Le travail d'extraction du césium est $2{,}1$ eV. Un rayonnement de $400$ nm ($3{,}1$ eV) peut-il extraire des électrons ? Avec quelle énergie cinétique maximale ?

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3

Longueur d'onde seuil

★★★

Calculer la longueur d'onde seuil du zinc ($W_0 = 4{,}3$ eV). Une lampe à lumière visible peut-elle provoquer l'effet photoélectrique sur le zinc ?

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4

Photon en électronvolts

★☆☆

Énergie en eV d'un photon de longueur d'onde $500$ nm.

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5

Fréquence d'un photon

★☆☆

Un photon a une énergie de $3{,}0 \times 10^{-19}$ J. Fréquence ?

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6

Énergie cinétique des électrons

★★☆

Du sodium ($W = 2{,}3$ eV) est éclairé à $400$ nm. Énergie cinétique maximale des électrons émis ?

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7

Vitesse des électrons

★★☆

Vitesse maximale correspondante ($m_e = 9{,}1 \times 10^{-31}$ kg) ?

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8

Exploiter le graphique

★★☆

Sur la figure du cours, que représentent la pente de la droite, son abscisse à l'origine et son ordonnée à l'origine ?

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9

Intensité ou fréquence ?

★☆☆

On double l'intensité d'une lumière de fréquence supérieure au seuil. Qu'est-ce qui change ?

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10

Exploiter l'expérience de Hertz

★★☆

Calculer la longueur d'onde seuil du zinc ($W = 4{,}3$ eV) et expliquer pourquoi la plaque de verre empêche la décharge.

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11

Rendement d'un panneau solaire

★★☆

Un panneau de $1{,}6$ m² reçoit $1\,000$ W/m² et fournit $300$ W électriques. Rendement ?

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12

Photons émis par un laser

★★★

Combien de photons par seconde émet un laser de $1{,}0$ mW à $650$ nm ?

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13

Silicium et infrarouge

★★☆

L'énergie de gap du silicium vaut $1{,}12$ eV. Au-delà de quelle longueur d'onde la lumière n'est-elle plus convertie ?

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14

Absorption par un atome

★☆☆

Pourquoi un atome n'absorbe-t-il que certaines longueurs d'onde ?

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15

Longueur d'onde de de Broglie

★★☆

Longueur d'onde associée à un électron de vitesse $1{,}0 \times 10^6$ m/s ?

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16

Diffraction d'électrons

★★☆

Pourquoi utilise-t-on un cristal pour mettre en évidence la diffraction des électrons ?

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17

Balle de tennis

★★☆

Longueur d'onde de de Broglie d'une balle de $58$ g à $50$ m/s ? Conclure.

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18

Dualité de la lumière

★☆☆

Citer un phénomène qui illustre le caractère ondulatoire de la lumière et un autre son caractère corpusculaire.

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19

Couleur d'une DEL

★★☆

Une DEL émet des photons de $1{,}9$ eV. Longueur d'onde et couleur ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Une lumière intense provoque toujours l'effet photoélectrique. b) $E = h\nu$. c) Un photon UV est plus énergétique qu'un photon rouge.

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