L'effet photoélectrique

• prérequis
• le phénomène
• quantification : le photon
• conservation de l'énergie
• cellule photoélectrique

Prérequis

• mécanique : l'énergie
• phénomènes vibratoires : les ondes progressives
  électricité : électrostatique, courant continu
• optique : l'onde électromagnétique
• rayonnements : quantification de l'énergie pour le corps noir

Le phénomène Lorsqu'on envoie de la lumière sur une plaque métallique, cette lumière est absorbée et des électrons sont éjectés. L'énergie de ces électrons ne dépend pas de l'intensité de la lumière mais de sa fréquence, dont elle dépend linéairement (voir plus bas) De plus, aucun électron n'est émis en-dessous d'une certaine fréquence de la lumière (appelée seuil de fréquence), quelle que soit son intensité. Au-dessus du seuil, plus l'intensité de la lumière est grande, plus il y a d'électrons émis.

Quantification : les photons

Afin d'expliquer l'effet photoélectrique, Einstein étend l'hypothèse de quantification de l'énergie : non seulement l'énergie émise par le corps noir se fait par paquets, mais ces paquets gardent leur individualité jusqu'à leur absorption.

Ces paquets d'énergie E = h . ν, sont appelés photons, où la constante de proportionnalité h est appelée constante de Planck, et vaut 6,63 . 10^-34 J.s = 4,14 . 10^-15 eV.s

Conservation de l'énergie appliquée à l'effet photoélectrique

h . ν = W0 + Ecin où h = cste de Planck et W0 = travail d'extraction = énergie nécessaire pour arracher un électron à la matière = | énergie de liaison | seuil de fréquence : lorsque Ecin = 0, c.à.d. \( \class{formule}{ ν_0 = \dfrac{W_0}{h} }\)

Cellule photoélectrique

Une cellule photoélectrique est constituée de deux plaques métalliques : une photocathode exposée à un rayonnement lumineux une anode vers laquelle iront les électrons éjectés de la photocathode avec une différence de potentiel U entre les 2 plaques. Conservation de l'énergie appliquée à la cellule : Ecin(cathode) + 0 = Ecin(anode) + (- e) . U

1. On connecte la cellule à un générateur pour appliquer une différence de potentiel U entre cathode et anode.
   • On peut régler U de manière à ce que tous les électrons arrachés du métal parviennent à l'anode (U positif) ⇒ I appelé courant de saturation.
   • On peut régler U de façon à ce que les électrons s'arrêtent en arrivant à l'anode.
     Ce U est négatif et vaut -U_o. Ce U_o est appelé potentiel retardateur ou potentiel d'arrêt.
2. On isole la cellule pour que les électrons qui parviennent à l'anode y restent. Dans ce cas, la cellule se charge jusqu'à ce que U = -U_o = - E_cin(cath)