MQ I - EFFET PHOTOÉLECTRIQUE

Mise en évidence expérimentale

• Les physiciens se sont longtemps demandés si la lumière est constituée d'ondes ou de particules (photons) ; l'effet photoélectrique en met en évidence des propriétés corpusculaires.

• L'aiguille, très légère, d'un électroscope dévie dès qu'on le charge (à l'aide de charges électrostatiques obtenues par frottement de matériaux divers) : ces charges tendent à se répartir sur la tige support et l'aiguille (métalliques), or les charges de même signe se repoussent.

• On constate alors que, dans certaines circonstances, la lumière peut décharger l'électroscope chargé négativement (excès d'électrons), mais ne peut jamais s'il est chargé positivement (défaut d'électrons) : la lumière peut éjecter des électrons du métal, mais ne peut pas déplacer les ions positifs.

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im1.jpg

• La décharge est arrêtée si on intercale une plaque de verre (transparent, mais qui arrête les U.V.) dans le faisceau lumineux : il existe un effet de seuil et seules les hautes fréquences sont efficaces.

Caractéristique d'une cellule photoémissive

• Des mesures plus précises peuvent être obtenues avec une cellule photoémissive, dont on étudie la caractéristique

I=I(U)

pour un éclairement fixé (en puissance et en fréquence).

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im2.jpg

⬫ pour

U=0

on observe

I=I_{0}\gt 0

; des électrons (

{\mathrm{e}}^{-}

) sont éjectés de la cathode et certains rejoignent l'anode ;
⬫ pour

U>0

le courant augmente jusqu'à une limite

I_{\mathrm{s}}

; les

{\mathrm{e}}^{-}

sont plus ou moins attirés par l'anode, mais elle ne peut pas en capter plus que la lumière n'en éjecte ;
⬫ pour

U<0

le courant diminue jusqu'à s'annuler pour

U=-U_{0}

; les

{\mathrm{e}}^{-}

sont plus ou moins repoussés par l'anode et leur énergie cinétique maximum est :

E_{cm}=\left|q_{\mathrm{e}}\right|\: U_{0}

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im3.jpg

Influence de la puissance lumineuse

• Quand on augmente la puissance lumineuse

P

, on constate que

I_{\mathrm{s}}

I_{0}

augmentent (environ proportionnellement à

P

) mais que

U_{0}

ne change pas.

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im4.jpg

Ceci est caractéristique de la quantification : l'augmentation de la puissance lumineuse correspond à une augmentation du nombre des photons sans changer leur énergie.

◊ remarque : il faut éventuellement utiliser un filtre car le spectre en fréquence de nombreuses lampes dépend de la puissance.

Influence de la fréquence

• Quand on augmente la fréquence lumineuse

ν

, la puissance augmente généralement plus ou moins (à nombre de photons égal, l'énergie de chacun d'entre eux augmente), mais il y a de nombreuses irrégularités car les lampes et filtres en fréquence utilisés sont rarement d'efficacité identique.

On constate par contre que

U_{0}

augmente avec la fréquence (on peut aussi mettre en évidence une “fréquence seuil”

{\nu }_{\mathrm{s}}

telle que

U_{0}=0

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im5.jpg

• Plus précisément, la variation est affine en fonction de la fréquence :

$E_{cm}=\left|q_{\mathrm{e}}\right|\: U_{0}=h\: \nu -W_{s}$ .

Ceci montre la proportionnalité :

E=h \:ν

; l'énergie cinétique d'un

{\mathrm{e}}^{-}

éjecté étant la différence entre l'énergie d'un photon et le travail

W_{s}

d'extraction de l'électron du métal.

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im6.jpg

◊ remarque : par exemple :

pour $\mathrm{Cs}$ : ${\lambda }_{s}=650\: \mathrm{nm}$ (rouge) donne $W_{s}=1\text{,}9\: \mathrm{eV}$ ;
pour Zn : ${\lambda }_{s}=370\: \mathrm{nm}$ (U.V.) donne $W_{s}=3\text{,}35\: \mathrm{eV}$ .

Généralisations

• Les photopiles procèdent de façon analogue, avec des semi-conducteurs, sauf que les électrons ne sont pas éjectés à l'extérieur du matériau mais simplement transférés à des niveaux d'énergie supérieurs où ils permettent le passage d'un courant.

• Dans un photomultiplicateur, les photons d'assez haute énergie peuvent même être détectés individuellement par amplification “en cascade” (multiplication du nombre d'électrons à chaque saut entre électrodes successives).

photoElectrique_Im/effetPhotoElectrique_Im7.jpg