PHOTOÉLECTRIQUE EFFET
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Effet photoélectrique
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Exposer un objet à la lumière provoque, dans certaines conditions, l’apparition de phénomènes électriques. Ces effets, dits photoélectriques, ont été détectés dès la fin du xixe siècle et les lois physiques auxquelles ils obéissent furent établies quelques années plus tard. On en distingue trois types : d’abord, l’émission photoélectrique proprement dite dans laquelle des électrons sont éjectés de l’échantillon éclairé dont ils sont issus; ensuite le phénomène de photoconductivité dans lequel l’éclairement modifie les propriétés conductrices d’un matériau ; enfin, les effets photovoltaïques, où l’on assiste à une conversion directe d’énergie lumineuse en énergie électrique. Ces effets concernent surtout les milieux solides mais on les observe aussi dans certains liquides ou gaz. Leur utilisation est maintenant très répandue dans de nombreux domaines de la vie courante.
Découverte et compréhension de l’effet photoélectrique
En 1887, Heinrich Hertz (1857-1894), professeur à l’institut de technologie de Karlsruhe (Allemagne) parvient à mettre en évidence les ondes électromagnétiques dont le physicien écossais James Clerk Maxwell (1831-1879) a prédit l’existence en 1864. Il a construit pour cela d’ingénieux montages électriques contenant en particulier un détecteur à étincelle destiné à signaler l’effet de ces ondes sur un circuit secondaire. Il établit ainsi la présence et l’action de ces ondes qu’on appellera hertziennes, mais il remarque de plus que les étincelles apparaissent plus facilement lorsque l’anode du dispositif est éclairée, en particulier par un tube à rayons ultraviolets. Quelques années plus tard, Wilhlem Hallwachs (1859-1922) puis Philipp von Lenard (1862-1947) répètent et affinent ces observations. L’effet photoélectrique apparaît alors comme un phénomène inattendu, et Hertz n’essaie pas d’expliquer le mécanisme sous-jacent ; les mesures des caractéristiques de l’émission de charges électriques – on ne reconnaîtra l’électron comme une particule qu’en 1897 – se révèlent bientôt en contradiction avec tous les modèles théoriques proposés.
En mars 1905, Albert Einstein (1879-1955), alors employé à l’Office des brevets de Berne (Suisse) tout en préparant sa thèse de doctorat qu’il soutiendra l’année suivante, publie le résultat de ses réflexions sur l’effet photoélectrique. Il adopte le cadre théorique proposé en 1900 par Max Planck (1858-1947) qui décrit les phénomènes de rayonnement comme essentiellement discontinus, l’émission d’énergie électromagnétique par un corps s’effectuant par quanta, chaque quantum transportant l’énergie hf, h étant la constante de Planck (environ 6,63 × 10-34 J·s) et f la fréquence de l’onde électromagnétique. Einstein démontre que les caractéristiques de l’effet photoélectrique sont bien comprises si on considère le rayonnement lumineux comme composé de particules, les photons, qui expulsent des électrons d’un échantillon lorsqu’ils transmettent à ces derniers l’énergie suffisante (liée à la fréquence, c’est-à-dire la couleur) pour surpasser l’énergie de liaison qui les retient dans un atome. Il en résulte que le courant électrique n’apparaît que si la fréquence du faisceau lumineux dépasse une valeur seuil selon le matériau, et qu’en ce cas le courant électrique produit est proportionnel au nombre de photons reçus, donc au flux lumineux. Cette proportionnalité est bien vérifiée expérimentalement (sauf pour des flux extraordinairement intenses) et permet d’envisager d’utiliser cet effet pour des mesures de flux lumineux. Ce résultat est décisif pour la compréhension de la nature quantique de la lumière : le rayonnement électromagnétique doit être en même temps décrit comme une onde mais aussi comme un train de particules. L’interprétation qu’Einstein[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
Classification
Média
Effet photoélectrique
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