Effet photoélectrique
L’effet photoélectrique consiste à arracher des électrons à une surface grâce à la lumière. L’expérience montre que la fréquence décide d’abord si l’émission est possible ; augmenter seulement l’intensité ne suffit pas si chaque photon est trop peu énergétique.
Le seuil vient avant l’intensité
Kmax = hf − φ
φ est le travail d’extraction du matériau. Si hf < φ, aucun électron n’est émis dans le modèle idéal, même avec une lumière très intense. Si hf > φ, l’excès devient énergie cinétique maximale.
À fréquence fixée au-dessus du seuil, augmenter l’intensité augmente surtout le nombre de photons et donc le nombre d’électrons émis par unité de temps, sans augmenter Kmax dans le modèle simple.
Le potentiel d’arrêt mesure l’énergie des électrons
eVs = Kmax
On applique une tension qui freine les électrons. Le potentiel d’arrêt Vs est la valeur nécessaire pour empêcher même les électrons les plus énergétiques d’atteindre le collecteur.
Tester l’énergie d’un photon
Travaillez directement en électronvolts : Kmax = Ephoton − φ.
Ce que l’expérience a établi
L’émission sans délai mesurable au-dessus du seuil, la dépendance de Kmax avec la fréquence et l’existence d’une fréquence seuil ne s’expliquent pas par un simple partage continu de l’énergie lumineuse classique.
La relation E = hf donne une description quantifiée de l’énergie lumineuse et a joué un rôle central dans l’établissement du concept de photon.
Lire correctement les variables
La fréquence f fixe l’énergie de chaque photon. L’intensité correspond au flux d’énergie et, à fréquence fixée, au nombre de photons reçus. Le matériau fixe φ. Enfin, le potentiel d’arrêt est une méthode de mesure de l’énergie cinétique maximale, pas la cause de l’émission.
La surface réelle peut présenter des états, des contaminations et une distribution d’énergies électroniques plus complexes : l’équation simple décrit le seuil et l’énergie maximale dans le modèle d’introduction.
Exercices résolus
1. Photon au-dessus du seuil
Un photon de 4,0 eV arrive sur un métal de travail d’extraction 2,5 eV. Quelle est Kmax ?
Solution
Kmax = 4,0 − 2,5 = 1,5 eV.
2. Sous le seuil
Des photons de 2,0 eV frappent un métal de φ = 2,3 eV. Que se passe-t-il si l’intensité est multipliée par 10 ?
Solution
Dans le modèle simple, aucune émission photoélectrique : l’énergie de chaque photon reste inférieure à φ.
3. Potentiel d’arrêt
Si Kmax = 1,8 eV, quel potentiel d’arrêt faut-il ?
Solution
Pour un électron, eVs = 1,8 eV, donc Vs = 1,8 V.