Fiche de révision

Physique

L’effet photoélectrique

La lumière arrache des électrons au métal… mais seulement si elle est assez énergétique.

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Fiche de révision de Physique : « L’effet photoélectrique », proposée par ndolomath.comndolomath

L’effet photoélectrique

💡 Idée principale : l’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un métal éclairé. Il n’a lieu que si la fréquence dépasse un seuil : il prouve que la lumière est faite de photons.

Étapes résumées

Photon : $E = h ν$ .
Travail d’extraction : $W_{0} = h ν_{0}$ .
Effet si $ν > ν_{0}$ , quelle que soit l’intensité.
Énergie cinétique max : $E_{c max} = h ν - W_{0}$ .

Observations

Ce que montre l’expérience

En dessous d’une fréquence seuil $ν_{0}$ , aucun électron n’est émis, même avec une lumière très intense.
Au-dessus, l’émission est immédiate.
L’intensité lumineuse augmente le nombre d’électrons, pas leur vitesse.

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1. Interprétation d’Einstein (1905)

Un photon cède toute son énergie à un seul électron. Si $h ν$ est plus grand que le travail d’extraction, l’électron sort avec le surplus en énergie cinétique.

2. Comprendre pourquoi la fréquence compte

Avec un modèle purement ondulatoire, une lumière très intense devrait toujours finir par arracher des électrons. Or ce n’est pas le cas : en dessous d’une fréquence seuil, rien ne se passe, même avec une lumière très forte. Einstein explique que la lumière est faite de photons d’énergie $E = h ν$ : un seul photon doit avoir assez d’énergie pour libérer un électron.

Relation d’Einstein

h ν = W_{0} + E_{c max}

$W_{0}$ travail d’extraction du métal $E_{c max}$ énergie cinétique maximale de l’électron

Exemple guidé

Énoncé

Le césium a

W_{0} = 1, 9 eV

. On l’éclaire avec des photons de 3,1 eV. Énergie cinétique maximale des électrons ?

Solution

E_{c max} = 3, 1 - 1, 9 = 1, 2 eV

.

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Applications

Cellules photovoltaïques

Panneaux solaires.

Photodiodes

Capteurs de lumière.

Capteurs d’appareils photo

Pixels CCD et CMOS.

Portes automatiques

Cellules photoélectriques.

Exploiter la relation d’Einstein

Exercice type

Énoncé

Une cellule au césium a un travail d’extraction

W_{0} = 1, 9 eV

. On l’éclaire avec

λ = 450 nm

. Y a-t-il émission ? Énergie cinétique maximale des électrons ? (

h = 6, 63 \times 10^{- 34} J·s

)

Solution

E = \frac{h c}{λ} = \frac{6, 63 \times 10^{- 34} \times 3 \times 10^{8}}{450 \times 10^{- 9}} \approx 4, 42 \times 10^{- 19} J \approx 2, 76 eV

.

E > W_{0}

: il y a émission.

E_{c, m a x} = 2, 76 - 1, 9 \approx 0, 86 eV

.

Panneaux solaires

La lumière produit un courant.

Cellules photo

Ouverture automatique des portes.

Capteurs d’images

Appareils photo, téléphones.

Détecteurs

Mesure de la lumière.

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À toi de jouer

1. Une lumière plus intense mais sous le seuil émet-elle des électrons ?

2. hν = 4 eV, W0 = 2,5 eV : Ec max ?

3. Quel savant a expliqué l’effet photoélectrique ?

Réponses : non · 1,5 eV · Einstein. Le corrigé détaillé et d’autres exercices de ce chapitre sont dans les exercices corrigés.

Erreurs fréquentes

C’est la fréquence qui compte, pas l’intensité.
Ne mélange pas eV et J.
Un photon n’interagit qu’avec un seul électron.

Méthode

Calcule l’énergie du photon, compare-la à W0, puis déduis Ec max.

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Ce que montre l’expérience

1. Interprétation d’Einstein (1905)

2. Comprendre pourquoi la fréquence compte

Relation d’Einstein

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Capteurs d’appareils photo

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Énoncé

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Détecteurs

À toi de jouer

Erreurs fréquentes

Méthode

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