Effet photoélectrique

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19) Ch.

19 : Effet photoélectrique 1.

La lumière 2. 3. 4. 1. L’effet photoélectrique La cellule photoélectrique La cellule photovoltaïque La lumière Les particules chargées composant la matière créent autour d’elles un champ électrostatique E.

Du fait de l’agitation thermique, ces particules vibrent, entraînant avec elle leur champ électrique.

Or ce mouvement du champ électrique va créer un champ magnétique qui va perturber le champ électrique.

Cette perturbation du champ électrique va alors perturber le champ magnétique, et ainsi de suite… C’est ainsi que se forme dans l’espace autour de chaque particule, des perturbations périodiques constituées d’un champ électrique conjugué à un champ magnétique que l’on appelle des ondes électromagnétiques.

Ces ondes non matérielles se déplacent à une vitesse appelée célérité et notée c valant 300 000 km/s. ZHz Fréquence f (Hertz) EHz Rayons  (gamma) fm PHz Rayons X pm Rayons UV nm Représentation d’une onde électromagnétique THz GHz Rayons IR µm MHz Ondes radio mm m km Longueur d’onde  f (Hz) Domaine du visible : la lumière  (nm) 400 500 600 700 800 A retenir : • Les ondes électromagnétiques sont réparties en différents domaines spectraux (rayon , rayon X, UV…). Le domaine du visible est celui de la lumière. • La lumière est une onde électromagnétique de longueur d’onde (dans le vide) comprise entre 400 et 800 nm. • L’énergie E d’un rayon de lumière dépend de sa fréquence  (nu) : h est appelée constante de Planck E = h E en J h = 6,6310 -34 S.I.  en Hz Max Planck 1858 - 1947 Exercice 1 : 1.

Déterminer la période et la fréquence dans le vide d’un rayon de lumière verte de longueur d’onde 540 nm. 2. 3. 4. 5. Montrer que l’énergie E d’un rayon de lumière peut aussi se calculer avec la formule : E = hc En déduire l’énergie d’un rayon de lumière violette de longueur d’onde 400 nm.  Montrer qu’un rayon de lumière rouge possède moins d’énergie qu’un rayon de lumière bleu. Déterminer la durée maximale de transmission d’une donnée envoyée par ondes radio du Rover martien Perseverance vers la Terre sachant que le rayon orbital de la Terre et celui de Mars valent 6 6 respectivement 15010 km et 22510 km. 2. 1886 : L’effet photoélectrique Effet photoélectrique H.

Hertz remarque que la lumière a une influence notable sur la formation d’étincelles par des électrodes. 1888 : W.

Hallwachs, assistant de H.

Hertz, remarque qu’une plaque de zinc isolée se charge positivement sous l’action d’une lumière ultra-violette. 1899 : J.

J.

Thomson démontre que la plaque de zinc se charge positivement sous lumière UV parce qu’elle émet des électrons (qu’il a lui-même découverts en 1897). 1902 : P.

Lenard montre expérimentalement l’effet de seuil de l’effet photoélectrique. 1905 : A.

Einstein comprend que la lumière est structurée en quanta d’énergie : les photons. 1 / 4 - TERMINALE SPECIALITÉ Partie VI - Chapitre 18 Expérience de l’effet de seuil : On considère une plaque de potassium éclairée par une source de lumière monochromatique dont on peut faire varier la longueur d’onde et l’intensité. I2 I2 I2 I1 I1 R = 680 nm I1 V = 542 nm B = 450 nm Observations : • Pour une lumière de longueur d’onde supérieure à 542 nm (ici R = 680 nm), quelle que soit l’intensité reçue par la plaque, aucun électron n’est émis. • On diminue alors progressivement la longueur d’onde de la source et, à 542 nm, la plaque émet enfin des électrons avec une vitesse très faible (proche de zéro). Si l’on maintient cette longueur d’onde mais que l’on double l’intensité lumineuse, on remarque alors que le nombre d’électrons émis par la plaque double aussi. • Si l’on diminue encore la longueur d’onde de la source (B = 450 nm), on remarque que la vitesse d’émission des électrons hors de la plaque augmente.

Et comme précédemment, le nombre d’électrons émis est toujours proportionnel à l’intensité lumineuse. Interprétation : En augmentant l’intensité du faisceau rouge (R = 680 nm), on ne fait qu’augmenter le nombre des photons rouges arrivant sur la plaque.

Et si visiblement un photon rouge ne possède pas assez d’énergie pour permettre à un électron de quitter l’atome de potassium, les électrons de cet atome ne semblent pas pouvoir capturer l’énergie de plusieurs photons simultanément et semblent même ignorer ces photons rouges. Le photon vert à V = 542 nm semble posséder l’énergie minimale nécessaire pour extraire un électron à l’atome de potassium : c’est l’effet de seuil.

En augmentant l’intensité du faisceau, on augmente le nombre de photons verts et donc le nombre d’électrons qui vont être expulsés du métal. A flux de photons équivalents, les photons bleus éjectent autant d’électrons que les photons verts : un photon n’interagit donc toujours qu’avec un électron (s’il possède assez d’énergie). Les électrons expulsés par les photons bleus ont une vitesse bien plus grande que ceux émis par les photons verts : l’excédent d’énergie des photons de longueur d’onde supérieure à la longueur d’onde seuil est converti en énergie cinétique de l’électron. Energie Energie cinétique v0 seuil A noter : C’est une expérience de ce genre, faite en 1902 par P.

Lenard, qui apporta la preuve expérimentale que la lumière peut être interprétée comme étant composée de quanta d’énergie que l’on nommera plus tard (dans les années 1920) photons. A retenir : Lors de l’éjection d’un électron d’un métal par effet photoélectrique, l’énergie h du photon incident se décompose en travail d’extraction W0 2 de l’électron et en énergie cinétique Ec (= ½ mv ) de ce dernier : h = W0 + Ec Energie d’extraction Photon rouge Photon vert Photon bleu  en Hz (hertz) h en Js W et Ec en J Dans un solide, les électrons de l’atome ne se trouvent pas sur des niveaux d’énergie discrets mais sur des bandes d’énergie d’une certaine épaisseur.

Ainsi l’énergie cinétique, et donc la vitesse, avec lesquelles sont émis les électrons pour un rayonnement d’une longueur d’onde donnée ne sont pas strictement constantes.

La formule ci-dessus donne en réalité la vitesse maximale des électrons. L’énergie nécessaire pour le travail d’extraction dépend du métal : Exemples : Exercice 2 : W0 (sodium) = 2,18 eV - W0 (césium) = 1,19 eV - W0 (lithium) = 2,39 eV Donnée : 1 eV = 1,6010 -19 J On admet que pour une plaque de potassium, l’effet de seuil est observé pour une longueur d’onde de 0 = 542 nm. 1. 2. 3. 4. 5. Calculer la fréquence seuil f0 pour cette plaque. Montrer que l’énergie des photons arrivant sur la plaque doit au moins être égale à 2,29 eV. En supposant qu’un photon de longueur d’onde 430 nm frappe la plaque, quelle sera la vitesse de l’électron éjecté ? Calculer l’énergie d’extraction d’un atome de césium dans l’unité SI. En déduire la.... »