Effet photoélectrique

L'effet photoélectrique est un phénomène de physique. L'effet est basé sur l'idée que le rayonnement électromagnétique est constitué d'une série de particules appelées photons. Lorsqu'un photon frappe un électron sur une surface métallique, l'électron peut être émis. Les électrons émis sont appelés photoélectrons. L'effet est également appelé l'effet Hertz, car il a été découvert par Heinrich Rudolf Hertz, mais ce nom n'est pas souvent utilisé. L'effet photoélectrique a aidé les physiciens à comprendre la nature quantique de la lumière et des électrons. Le concept de dualité onde-particule a été développé grâce à l'effet photoélectrique. Albert Einstein a proposé les lois de l'effet photoélectrique et a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

Un diagramme qui montre comment les électrons sont émis par une plaque métalliqueZoom
Un diagramme qui montre comment les électrons sont émis par une plaque métallique

Mécanisme

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}{\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}{\displaystyle E=hf=KE+w}{\displaystyle h} h est la constante de Planck, 6,626×10-34 J-s, f est la fréquence de l'onde électromagnétique, Kf{\displaystyle KE} E est l'énergie cinétique du photoélectron et{\displaystyle w} 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.

Histoire

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.

Questions et réponses

Q : Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ?


R : L'effet photoélectrique est un phénomène physique dans lequel le rayonnement électromagnétique est constitué de particules appelées photons qui, lorsqu'ils rencontrent des électrons sur une surface métallique, peuvent être émis, formant ainsi des photoélectrons.

Q : Qui a découvert l'effet photoélectrique ?


R : Heinrich Rudolf Hertz a découvert l'effet photoélectrique.

Q : Pourquoi l'effet photoélectrique est-il également appelé effet Hertz ?


R : L'effet photoélectrique est également appelé effet Hertz car il a été découvert par Heinrich Rudolf Hertz.

Q : Qu'est-ce que la dualité onde-particule ?


R : La dualité onde-particule est un concept développé grâce à l'effet photoélectrique, qui a aidé les physiciens à comprendre la nature quantique de la lumière et des électrons.

Q : Qui a proposé les lois de l'effet photoélectrique ?


R : Albert Einstein a proposé les lois de l'effet photoélectrique.

Q : Quelle a été la contribution de l'effet photoélectrique à la physique ?


R : L'effet photoélectrique a aidé les physiciens à comprendre la nature quantique de la lumière et des électrons, en développant le concept de dualité onde-particule, et a contribué aux lois de l'effet photoélectrique proposées par Albert Einstein, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

Q : Comment appelle-t-on les électrons émis dans le cadre de l'effet photoélectrique ?


R : Les électrons émis par la surface du métal dans l'effet photoélectrique sont appelés photoélectrons.

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