Effet photoélectrique
La lumière arrache des électrons à un métal, un photon à la fois. L'énergie d'un photon ne dépend que de sa fréquence : sous un seuil, rien ne sort, quelle que soit l'intensité.
Énergie cinétique maximale en fonction de la fréquence
Mesures
Ce qui se passe
La lumière arrive par paquets, les photons, qui portent chacun l'énergie E = hν = hc/λ. Un électron du métal absorbe exactement un photon et doit dépenser au moins le travail d'extraction W pour quitter la surface. Le reste devient de l'énergie cinétique, donc les électrons les plus rapides ont Ec,max = hν − W (les autres perdent un peu plus en sortant). Si hν est inférieur à W, aucun électron ne sort : il existe une fréquence seuil ν₀ = W/h et une longueur d'onde seuil associée. Augmenter l'intensité envoie plus de photons par seconde, libère plus d'électrons et augmente l'intensité du courant, mais ne rend aucun électron plus rapide. Rends le collecteur négatif : il repousse les électrons, le courant baisse et s'annule quand eU atteint Ec,max, c'est le potentiel d'arrêt. En traçant Ec,max en fonction de ν, chaque métal donne une droite de pente h qui coupe l'axe des fréquences en ν₀ et l'axe des énergies en −W. C'est avec ce graphique que Millikan a vérifié l'équation d'Einstein et mesuré h avec précision.
Terminale (spécialité physique-chimie) : effet photoélectrique, photon, énergie E = hν, travail d'extraction et fréquence seuil. Licence : potentiel d'arrêt et caractéristique courant-tension d'une cellule photoélectrique.
Fais les calculs avec Formules de physique et Calculatrice scientifique.
Défi
Prédis d'abord : le sodium (W = 2,28 eV) est éclairé en lumière violette de 400 nm. Quel potentiel d'arrêt annule tout juste le courant ? Calcule d'abord hν en électronvolts, écris ta réponse, puis règle la tension du collecteur pour vérifier.
hν = hc/λ = 1240 eV nm / 400 nm = 3,10 eV, donc Ec,max = 3,10 − 2,28 = 0,82 eV et le potentiel d'arrêt vaut 0,82 V. Avec le collecteur à −0,82 V, le courant s'annule.
Questions fréquentes
- Pourquoi une lumière rouge intense n'arrache-t-elle pas d'électrons au zinc ?
- Chaque électron absorbe un seul photon. Un photon rouge porte environ 1,9 eV, moins que le travail d'extraction du zinc, 4,33 eV : aucun photon ne peut libérer un électron. Un faisceau plus intense envoie seulement plus de photons trop faibles, et un électron ne peut pas cumuler l'énergie de plusieurs.
- Qu'est-ce que le potentiel d'arrêt ?
- C'est la plus petite tension inverse sur le collecteur qui arrête même les photoélectrons les plus rapides, si bien que le courant s'annule. Le travail de la force électrique compense alors l'énergie cinétique maximale : eU₀ = Ec,max = hν − W.
- Comment mesurer la constante de Planck avec l'effet photoélectrique ?
- On mesure le potentiel d'arrêt à plusieurs fréquences et on trace eU₀ (ou Ec,max) en fonction de ν. Les points sont alignés sur une droite de pente h, dont l'ordonnée à l'origine vaut −W.
- L'intensité lumineuse change-t-elle l'énergie cinétique des électrons ?
- Non. L'intensité fixe le nombre de photons reçus par seconde, donc l'intensité du courant. L'énergie de chaque photon, et donc Ec,max et le potentiel d'arrêt, ne dépend que de la fréquence.
- Comment trouver le travail d'extraction à partir du potentiel d'arrêt ?
- On utilise W = hν − eU₀. Une lumière de 250 nm apporte hν = 1239,8/250 = 4,96 eV ; si le potentiel d'arrêt vaut 0,63 V, W = 4,96 − 0,63 = 4,33 eV, c'est le zinc. W depuis U₀ dans le panneau Calculer le fait avec les calculs.