Effet Photoélectrique
L'observation de cet effet est due à Hertz (1887). En irradiant une substance par de la lumière ayant certaines propriétés on peut obtenir l'extraction d'électrons de celle-ci.
La théorie ondulatoire de Maxwell considère que l'énergie du champ électromagnétique est distribuée de façon continue dans tout l'espace, cependant, les résultats obtenus dans cette expérience montrent qu'une telle description doit être révisée.
Interprétation du phénomène :
Pour de faibles valeurs de
, l'anode retrouve avec une plus grande densité de charges qui ne peuvent être évacuées et, par conséquent, celles-ci vont freiner la course des électrons arrachés.La disparition de ces charges d'espace quand on augmente
se traduit par le palier observé correspondant à Is (tous les électrons arrachés sont captés).La dépendance du phénomène vis à vis de la fréquence ne peut s'expliquer que si l'on admet l'hypothèse d'échanges rayonnement-matière par quantités finies (quanta de Planck ou photons d'Einstein) :
. Le quantum d'énergie incident est annihilé et son énergie est communiquée à un électron : une partie sera fournie pour le libérer de son entourage, l'autre constituera l'énergie cinétique du photoélectron.
Hypothèse d'Einstein :
Cette hypothèse est une extension de la notion de « quantum» introduite par Planck pour résoudre le problème du corps noir : la lumière est formée de « grains» d'énergie appelés photons. Chaque photon a une masse nulle, se déplace à la vitesse
(dans le vide) et porte une énergie
où
représente la fréquence de la lumière.
Explication :
Einstein fait appel à la collision (inélastique) d'un photon (incident)avec les électrons libres (ou faiblement liés) du métal constituant la cathode. Le bilan énergétique est :
est l'énergie du photon incident,
le travail d'extraction et
l'énergie cinétique du photoélectron.
Quelques exemples :
• Photographie – photodissociation
La réaction de dissociation de l'oxygène qui permet la formation de l'ozone (O3-) en haute atmosphère exige une énergie de dissociation de
Joule/molécule et donc une énergie (par photon) au moins égale à
.
et
Cette longueur d'onde se situe dans l'UltraViolet, ce qui explique pourquoi seuls les UV contribuent à cette réaction et réciproquement le rôle de l'ozone dans l'atténuation de ces rayonnements nocifs pour les êtres vivants.
• Les photomultiplicateurs (détection)
Ce sont des dispositifs très sensibles qui convertissent les signaux lumineux en signaux électriques et les amplifient. Ils sont utilisés selon les propriétés des matériaux, les domaines d'énergie considérés, la sensibilité recherchée...
