Effet photoélectrique

Toutes les ondes électromagnétiques ne provoquent pas l'effet photoélectrique, seuls les rayonnements d'une certaine fréquence ou plus sont responsables de cet effet. La fréquence minimale nécessaire est appelée "fréquence de coupure" ou "fréquence seuil". La fréquence de coupure est utilisée pour trouver la fonction de travail, w {\displaystyle w} qui est la quantité d'énergie retenant l'électron à la surface du métal. La fonction de travail est une propriété du métal et n'est pas affectée par le rayonnement entrant. Si la fréquence de la lumière frappant la surface du métal est supérieure à la fréquence de coupure, l'électron émis aura une certaine énergie cinétique.

L'énergie d'un photon provoquant l'effet photoélectrique est trouvée par E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} où h est la constante de Planck, 6,626×10-34 J-s, f est la fréquence de l'onde électromagnétique, K E est l'énergie cinétique du photoélectron et w est la fonction de travail du métal. Si le photon a beaucoup d'énergie, la diffusion de Compton (~ milliers de eV) ou la production de paires (~ millions de eV) peut avoir lieu.

L'intensité de la lumière seule ne provoque pas l'éjection d'électrons. Seule une lumière dont la fréquence de coupure est supérieure ou égale à cette fréquence peut le faire. Cependant, l'augmentation de l'intensité de la lumière augmentera le nombre d'électrons émis, tant que la fréquence est supérieure à la fréquence de coupure.

Heinrich Hertz a fait la première observation de l'effet photoélectrique en 1887. Il a rapporté qu'une étincelle sautait plus facilement entre deux sphères chargées si la lumière brillait sur elles. D'autres études ont été réalisées pour connaître l'effet observé par Hertz. En 1902, Philipp Lenard a montré que l'énergie cinétique d'un photoélectron ne dépend pas de l'intensité lumineuse. Cependant, ce n'est qu'en 1905 qu'Einstein a proposé une théorie qui explique pleinement l'effet. Selon cette théorie, le rayonnement électromagnétique est une série de particules, appelées photons. Les photons entrent en collision avec les électrons à la surface et les émettent. Cette théorie allait à l'encontre de la croyance selon laquelle le rayonnement électromagnétique était une onde. Ainsi, au début, elle n'a pas été reconnue comme correcte. En 1916, Robert Millikan a publié les résultats d'expériences utilisant un photo-tube à vide. Ses travaux ont montré que l'équation photoélectrique d'Einstein expliquait le comportement de manière très précise. Cependant, Millikan et d'autres scientifiques ont été plus lents à accepter la théorie des quanta de lumière d'Einstein. La théorie des ondes de Maxwell sur les radiations électromagnétiques ne peut pas expliquer l'effet photoélectrique et les radiations du corps noir. Ceux-ci sont expliqués par la mécanique quantique.