OS5 : Interaction lumière matière (fiche cours)
Publié le 02/06/2024
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OS5 : Interaction lumière matière (fiche cours)
OS5
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TSpéPC
Interaction lumière matière
TSpéPC
CAPACITES EXIGIBLES
Décrire l’effet photoélectrique, ses caractéristiques et son importance historique.
Interpréter qualitativement l’effet photoélectrique à l’aide du modèle particulaire de la lumière.
Etablir, par un bilan d’énergie, la relation entre l’énergie cinétique des électrons et la fréquence.
Expliquer qualitativement le fonctionnement d’une cellule photoélectrique.
Citer quelques applications actuelles mettant en jeu l’interaction photo-matière (capteurs de lumière, cellules
photovoltaïques, diodes électroluminescentes, spectroscopies UV-visible et IR, etc.).
– Déterminer le rendement d’une cellule photovoltaïque.
1/ Le photon (Rappel de 1ère)
Tout rayonnement électromagnétique peut-être décrit comme un flux de « grains d’énergie » appelés
photons dont l’énergie dépend de la fréquence du rayonnement.
Un photon est une particule :
➢ qui possède une masse nulle ;
➢ se déplace à la célérité de la lumière 𝑐 = 3,0 × 108 m.s −1 ;
➢ transporte un quantum d’énergie E, en J, donnée par la relation :
𝑬𝒑𝒉𝒐𝒕𝒐𝒏 = 𝒉 𝝂 = 𝒉 ×
𝒄
𝝀
𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 : énergie (en J)
ℎ : constante de Planck (ℎ = 6,63 × 10−34 J.s)
𝜈 : fréquence du rayonnement (en Hz)
𝜆 : longueur d’onde du rayonnement (en m)
Remarques :
– L’électronvolt (eV) est une unité de mesure d’énergie plus adaptée aux petites valeurs d’énergie :
1 eV = 1,6 × 10−19 J.
– Les échanges d’énergie entre lumière et matière se font de manière discrète par « paquets
d’énergie minimale » correspondant à la totalité de l’énergie d’un photon.
2/ L’effet photoélectrique
L’effet photoélectrique a été observé, étudié et décrit par Heinrich Hertz en 1887.
L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un métal sous l’effet de radiations lumineuses.
Pour un métal donné, cet effet ne se manifeste que pour des photons d’énergie suffisamment grande, donc
pour des radiations de fréquence supérieure à une fréquence de seuil, notée 𝜈𝑠 , quelque soit l’intensité du
rayonnement.
La fréquence de seuil dépend du métal éclairé. Bilan énergétique : L’énergie fournie par le rayonnement électromagnétique – permet d’extraire l’électron du métal : c’est le travail d’extraction 𝑊𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = ℎ𝜈𝑠 (énergie nécessaire pour extraire un électron libre proche de la surface du métal) ; – donne une énergie cinétique à l’électron libéré. 𝑬𝒑𝒉𝒐𝒕𝒐𝒏 = 𝑾𝒆𝒙𝒕𝒓𝒂𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏 + 𝑬𝑪 𝒉𝝂𝒑𝒉𝒐𝒕𝒐𝒏 = 𝒉𝝂𝒔 + 𝟏 𝒎 𝒗𝟐 𝟐 𝒆 Photon incident (𝒉𝝂) Électron Émission (EC) Métal Éxtraction (𝑾𝒆𝒙𝒕𝒓𝒂𝒄𝒕𝒊𝒐𝒏 ) 𝐸𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛 , 𝑊𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 , 𝑒𝑡 𝐸𝐶 : énergies en J ℎ : constante de Planck (ℎ = 6,63 × 10−34 J.s) 𝜈 : fréquence du photon (en Hz) 𝜈𝑠 : fréquence de seuil (en Hz) 𝑚𝑒 : masse de l’électron (en kg) 𝑣 : vitesse de l’électron après extraction (en.... »
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