ACTIVITE : DECOUVERTE DE L'EFFET PHOTOELECTRIQUE - THEORIE D'EINSTEIN
OBJECTIFS⚓
Interpréter l'effet photoélectrique par la théorie d’Einstein.
Utiliser l'expression de l'énergie cinétique maximale de l’électron émis \(Ec=h(\nu-\nu_0)\).
Citer quelques applications de l'effet photoélectrique liées à la géomatique.
MATERIEL⚓
Vidéo projecteur
Smartphone
VERIFICATION PREREQUIS⚓
Vérification des prérequis
DEROULEMENT⚓
INTRODUCTION⚓
Mise en situation
Consigne
Visionne la vidéo ci-dessus.
Comment appelle-t-on le phénomène observé ?
Explique pourquoi la cathode constituée d'un métal émet des électrons lorsqu'il est éclairé par un rayonnement bien déterminé.
Recherche dans ton environnement des applications du phénomène.
Nota Bene :
A l'issue de l'activité tu trouveras les réponses aux questions posées
DEFINITION⚓
Définition :
L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau sous l'action d'une lumière convenable.
Nota Bene :
Le phénomène d'effet photoélectrique s'observe si et seulement si la longueur d'onde \(\lambda\)de la lumière monochromatique incidente est inférieure ou égale à une longueur d'onde seuil (\(\lambda_s\))qui dépend de la nature du matériau éclairé mais pas de l'intensité du faisceau lumineux incident.
Ainsi le modèle ondulatoire de la lumière ne permet pas d'expliquer l'existence d'une longueur d'onde seuil ni l'absence d'intensité lumineuse seuil.
Attention :
La fréquence et la longueur d'onde varient inversement \(\textcolor{BrickRed}{\nu=\frac{c}{\lambda}}\).
Ainsi, on dira que le phénomène d'effet photoélectrique s'observe si et seulement si la fréquence \(\nu\)de la lumière monochromatique incidente est supérieure ou égale à une fréquence seuil (\(\nu_s\)) qui dépend de la nature du matériau éclairé.
INTERPRETATION DE L'EFFET PHOTOELECTRIQUE⚓
III.1. Théorie d'Einstein (1905)
Albert Einstein(1879-1955) propose la théorie corpusculaire de la lumière :
La lumière apparait comme constituée de particules « grains » appelées photons de masse et de charge nulles, se déplaçant à la vitesse de la lumière notée c.
Un photon transporte un quantum d'énergie \(\textcolor{BrickRed}{E=h\nu}\) =\(\textcolor{BrickRed}{\frac{hc}{\lambda}}\) où :
\(h=6,626.10^{-34} J.s\) est la constante de Planck ;
\(\nu\) et \(\lambda\) sont respectivement la fréquence et la longueur d'onde de la lumière monochromatique ;
\(c=3.10^8 m.s^{-1}\)
III.2. Transfert et transformation énergétiques
Lorsqu'un photon arrive sur un métal, il peut être renvoyé ou absorbé.
L'effet photoélectrique est une interaction entre un photon et un électron du métal.
Pour extraire un électron, il faut lui fournir une énergie :
Energie seuil ou travail d'extraction
L'énergie seuil est le travail minimal à effectuer pour arracher un électron du matériau : \(\textcolor{BrickRed}{E_s }\)= \(\textcolor{BrickRed}{h\nu_s}\) = \(\textcolor{BrickRed}{\frac{hc}{\lambda_s}}\)
Lorsque l'électron reçoit un photon d'énergie \(E\) inférieure à l'énergie seuil (\(E\lt\) \(E_s\)), il reste dans le métal.
Lorsque l'électron reçoit un photon d'énergie \(E\) égale à l'énergie seuil (\(E\) = \(E_s\), il est extrait du métal.
Ainsi, les transferts d'énergie s'effectuent de façon discontinue : les échanges d'énergies sont quantifiés.
L'effet photoélectrique se produit lorsque l'énergie \(E\) du photon incident est supérieure ou égale à l'énergie seuil \(E_s\) (\(\textcolor{BrickRed}{E}\) \(\textcolor{BrickRed}{\ge}\) \(\textcolor{BrickRed}{E_s}\))
Energie cinétique
Lorsque l'électron reçoit un photon d'énergie \(E\) supérieure à l'énergie seuil \(E_s\), il est extrait du métal et le surplus lui est transféré sous forme d'énergie cinétique \(Ec\).
Relation d'Einstein : \(E\) = \(E_s\) + \(Ec\) \(\Longrightarrow\) \(Ec\) = \(E\) - \(E_s\) \(\Longrightarrow\) \(Ec\) = \(h(\nu - \nu_s)\) ou
\(\textcolor{BrickRed}{Ec = }\)\(\textcolor{BrickRed}{hC(\frac{1}{\lambda} - \frac{1}{\lambda_s})}\) avec \(\textcolor{BrickRed}{Ec = \frac{1}{2} mv^2}\)
Complément : Interaction lumière-matière
Emission et absorption quantique de la lumière
En 1913 Niels Bohr(1885-1962) fait l'hypothèse que l'énergie d'un atome est quantifiée. Celle-ci ne peut prendre que certaines valeurs auxquelles on associe des niveaux d'énergie encore appelés états, notés \(E_n\). Les échanges d'énergie entre la lumière (photon) et la matière (atome) s'interprètent par des transitions électroniques entre les niveaux d'énergie des atomes conduisant à l'absorption ou l'émission de photons. La variation d'énergie\(\Delta{E}\) de l'atome est telle que : \(\Delta{E} = E_{finale} - E_{initiale}\). Si \(\Delta{E} \gt 0\), l'atome gagne de l'énergie (absorption quantique) ; si \(\Delta{E} \lt 0\), l'atome perd de l'énergie (émission quantique).
L'émission ou l'absorption de lumière par l'atome se fait de manière discontinue. Chaque atome ou molécule émet ou absorbe des radiations bien déterminées. Ainsi le spectre d'émission ou d'absorption caractérise l'atome ou la molécule et d'une manière générale la matière.
Dualité onde-corpuscule
La lumière peut être à la fois décrite comme une onde électromagnétique caractérisée par sa longueur d'onde \(\lambda = \frac{c}{\nu}\) responsable de sa couleur ou comme une particule (petit grain de lumière de masse et de charge nulles appelée photon) véhiculant l'énergie \(E = h\nu\) : c'est la dualité onde-corpuscule. Celle-ci est une formulation qui s'applique aux manifestations du photon, qui se comporte soit comme une onde, soit comme une particule, selon le contexte expérimental considéré.
Illustration de la dualité onde-corpuscule
Consigne
Visionne la vidéo et prend notes.
APPLICATIONS PRATIQUES⚓
Les applications pratiques de la théorie du photon sont très nombreuses. On peut citer entre autres :
IV.1. Les portes à ouverture et fermeture automatiques
Les portes automatiques piétonnes peuvent être équipées de cellules photoélectriques. Le dispositif émet un faisceau lumineux et lorsqu’une personne passe à travers, un signal est envoyé au récepteur. Cela déclenche automatiquement l’ouverture de la porte.
Elles peuvent être également équipées de radars ou de détecteurs à infrarouges.
IV.2. Panneaux solaires photovoltaïques
les panneaux solaires photovoltaïques qui utilisent les rayonnements électromagnétiques sur les semi-conducteurs pour produire le courant électrique (conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique)
IV.3.Diodes électroluminescentes (DEL)
les diodes électroluminescentes (DEL) qui fonctionne à l'inverse de cellule photovoltaïque (conversion de l'énergie électrique en énergie lumineuse)
IV.4. Capteurs d'images
les capteurs d'images qui transforment l'énergie lumineuse en signal électrique permettant, entre autres, la numérisation des images satellitaires obtenues par télédétection. En effet les techniques de spectroscopie UV- visible et infrarouge reposent sur l'interaction lumière-matière. Elles permettent, à travers l'analyse des spectres d'absorption ou d'émission de la matière, d'identifier celle-ci.
TESTS⚓
TEST 1
TEST 2
TEST 3
TEST 4
TEST 5
POUR ALLER PLUS LOIN⚓
Fonctionnement d'un panneau solaire photovoltaïque - Source d'énergie des satellites⚓
Consigne
Visionne les deux vidéos ci- dessus et prend notes.
Les capteurs d'images - Télédétection⚓
Consigne
Visionne la vidéo ci- dessus et prend notes.
Signature spectrale-Télédétection⚓
Consigne
Visionne la vidéo ci- dessus et prend notes.