Effet photoélectrique Guide

Aperçu

La lumière est-elle une onde ou une particule ? En 1905, Einstein a fourni une réponse qui a bouleversé le monde en expliquant l'« Effet Photoélectrique » : la lumière possède des propriétés particulaires. Cette expérience simule le processus de photons bombardant une surface métallique et éjectant des électrons. En ajustant la fréquence de la lumière, l'intensité et la tension inverse, vous ferez personnellement l'expérience de l'aube de la mécanique quantique et vérifierez la célèbre équation de l'effet photoélectrique d'Einstein.

Contexte

• En 1887, Heinrich Hertz a découvert le phénomène de l'effet photoélectrique lors d'expériences, mais il ne pouvait pas l'expliquer en utilisant la théorie des ondes électromagnétiques de l'époque.
• En 1902, Philipp Lenard a découvert expérimentalement que l'énergie cinétique maximale des photoélectrons est indépendante de l'intensité lumineuse mais dépend de la fréquence, ce qui contredisait la théorie ondulatoire.
• En 1905, Albert Einstein a proposé l'hypothèse du photon, expliquant avec succès tous les phénomènes expérimentaux de l'effet photoélectrique, et a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour cela.

Concepts clés

Formules et dérivation

Étapes de l'expérience

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   Trouver la Fréquence de Seuil

   Sélectionnez un métal (par exemple, le Sodium). Réglez la tension à $0V$. En commençant par de longues longueurs d'onde (lumière rouge), diminuez progressivement la longueur d'onde (augmentez la fréquence) et observez à quelle longueur d'onde les électrons commencent à être éjectés. La fréquence correspondant à ce point critique est la fréquence de seuil $f_0$.
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   Explorer l'Effet de l'Intensité

   Avec un photocourant généré, maintenez la longueur d'onde constante et ajustez l'« Intensité ». Observez tout changement dans le nombre (densité) d'électrons éjectés et leur vitesse. Que représente l'intensité lumineuse ?
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   Mesurer la Tension d'Arrêt

   Maintenez l'intensité lumineuse et la fréquence constantes, et ajustez la tension de la batterie à une valeur négative (tension inverse). Observez comment les électrons sont ralentis. Notez la valeur de la tension lorsque le courant tombe juste à $0$. C'est la tension d'arrêt $V_s$.
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   Vérifier l'Équation d'Einstein

   Changez la fréquence de la lumière incidente et répétez l'étape 3 pour mesurer la tension d'arrêt à différentes fréquences. Considérez s'il existe une relation linéaire entre la tension d'arrêt (représentant l'énergie cinétique maximale) et la fréquence.

Objectifs d'apprentissage

• Confirmer que l'occurrence de l'effet photoélectrique dépend de la fréquence de la lumière, et non de son intensité
• Maîtriser la relation proportionnelle entre la grandeur du photocourant et l'intensité de la lumière incidente
• Vérifier la loi selon laquelle l'énergie cinétique initiale maximale augmente linéairement avec la fréquence de la lumière incidente
• Comprendre la caractéristique « particulaire » de la dualité onde-particule de la lumière

Applications réelles

• Cellules Photoélectriques : Utilisées dans les portes automatiques et les capteurs d'éclairage public pour générer du courant et contrôler des circuits lorsqu'elles sont éclairées.
• Cellules Solaires : Utilisent l'effet photovoltaïque pour convertir directement l'énergie lumineuse en énergie électrique, un composant clé de l'énergie propre.
• Photomultiplicateurs : Détectent les signaux lumineux faibles en physique nucléaire et en imagerie médicale (comme les scans TEP).
• Appareils Photo Numériques (CCD/CMOS) : Utilisent l'effet photoélectrique pour convertir les signaux photoniques entrant dans l'objectif en signaux électroniques pour l'imagerie.

Idées reçues

Lectures complémentaires

• Photoelectric effect - Wikipedia