Effet photoélectrique

Un schémamontrant l'émission d'électrons depuis une plaquemé-tallique. L'émission de chaque électron (ligne bleue) requiert unequantité minimale d'énergie, laquelle est apportée par un photon(ligne rouge).

En physique, l'effet photoélectrique (EPE) désigne enpremier lieu l'émission d'électrons par un matériau sou-mis à l'action de la lumière. Par extension, il regroupe par-fois l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériauprovoqués par l'action de la lumière. On distinguera alorsdeux effets : des électrons sont éjectés du matériau (émis-sion photoélectrique) et une modification de la conducti-vité du matériau (photoconductivité, effet photovoltaïquelorsqu'il est en œuvre au sein d'une cellule photovoltaïque,effet photoélectrochimique, effet photorésistif).Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du pho-ton incident se transmet à l'électron périphérique. Unequantité d'énergie minimale est nécessaire pour extrairel'électron de l'atome, l'énergie excédentaire est transmiseà l'électron sous forme d'énergie cinétique. Une absorp-tion partielle est caractérisée par la diffusion Compton.

1 Histoire

En 1839, Antoine Becquerel et son fils présentent pourla première fois un effet photoélectrique. Leur expé-rience permet d'observer le comportement électriqued'électrodes immergées dans un liquide, modifié par unéclairage.Il a été compris et présenté en 1887 par Heinrich RudolfHertz qui en publia les résultats dans la revue scientifiqueAnnalen der Physik[1].Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposerune explication, en utilisant le concept de particule de

lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantumd'énergie initialement introduits par Max Planck en 1900dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pourl'émission du corps noir[2]. Einstein a expliqué que cephénomène était provoqué par l'absorption de photons,les quanta de lumière, lors de l'interaction du matériauavec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobelde physique en 1921[3].

2 Définition

L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par unmatériau, généralement métallique lorsque celui-ci est ex-posé à la lumière ou un rayonnement électromagnétiquede fréquence suffisamment élevée, qui dépend du maté-riau.Dans l'effet photoélectrique, on éclaire une plaque demétal et celle-ci émet des électrons.

3 Constatations expérimentales del'émission photoélectrique

1. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de lalumière est suffisamment élevée et dépasse une fré-quence limite appelée fréquence seuil.

2. Cette fréquence seuil dépend du matériau et est di-rectement liée à l'énergie de liaison des électrons quipeuvent être émis.

3. Le nombre d'électrons émis lors de l'exposition à lalumière, qui détermine l'intensité du courant élec-trique, est proportionnel à l'intensité de la source lu-mineuse.

4. L'énergie cinétique des électrons émis dépend li-néairement de la fréquence de la lumière incidente.

5. Le phénomène d'émission photoélectrique se pro-duit dans un délai extrêmement petit inférieur à10−9 s après l'éclairage, ce qui rend le phénomènequasi instantané.

4 Interprétation et explication

Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfai-sante lorsque l'on considère que la lumière est une onde, la

1

2 8 NOTES ET RÉFÉRENCES

théorie acceptée à l'époque, qui permet d'expliquer la plu-part des phénomènes dans lesquels la lumière intervient,tel l'optique, et qui était traduite mathématiquement parla théorie de James Clerk Maxwell.En effet, si l'on considère la lumière comme une onde,en augmentant son intensité et en attendant suffisam-ment longtemps, on devrait pouvoir fournir suffisam-ment d'énergie au matériau pour en libérer les électrons.L'expérience montre que l'intensité lumineuse n'est pas leseul paramètre, et que le transfert d'énergie provoquant lalibération des électrons ne peut se faire qu'à partir d'unecertaine fréquence.

L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecteles électrons du matériau

L'interprétation d’Einstein, l'absorption d'un photon, per-mettait d'expliquer parfaitement toutes les caractéris-tiques de ce phénomène. Les photons de la source lumi-neuse possèdent une énergie caractéristique déterminéepar la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du ma-tériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci estsuffisante, l'électron est éjecté ; sinon l'électron ne peuts’échapper du matériau. Comme augmenter l'intensité dela source lumineuse ne change pas l'énergie des photonsmais seulement leur nombre, on comprend aisément quel'énergie des électrons émis par le matériau ne dépend pasde l'intensité de la source lumineuse.Après l'absorption du photon par l'atome, le photoélec-tron émis a une énergieEe = Eg − Eb

où Eb est l'énergie de liaison du photoélectron.L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, maisla section efficace croît rapidement avec le numéro ato-mique Z :σPE = Zn

Eg3.5

où n varie de 4 à 5.À des énergies et des numéros atomiques où ce processusest important, l'électron émis est absorbé sur une distancetrès courte de telle manière que toute son énergie est en-registrée dans le détecteur. Les rayons X qui sont émisdans la réorganisation du cortège électronique à la suite

de l'émission de l'électron sont également absorbés dansle milieu.Dans la littérature, “Radiation Oncology Physics :AHandbook for Teachers and Students. E.B. Podgorsak”,il est également possible de trouver cette équation :σPE = Z4

Eg3

5 Équation

L'énergie d'un photon est caractérisée par la formule E= h . ν, hypothèse posée par Planck. “E” correspond àl'énergie du photon, ν (lettre grecque nu) à la fréquence eth est la constante de Planck qui vaut 6,626076×10−34 J.s.On constate que l'énergie du photon est proportionnelle àla fréquence et varie donc en fonction de la couleur[4].

6 Discussion

La démonstration d'Einstein est fondée sur l'hypothèsed'électrons liés à des atomes indépendants à l'intérieurd'un métal. On sait maintenant que les électrons formentun plasmon à la fréquence de l'onde électromagnétique.Le problème est donc complexe.

7 Applications

- Effet photoélectrique externe : un tube photomulti-plicateur (PMT en anglais) est une application directe decet effet. L'électron créé par le rayonnement incident estensuite multiplié grâce à un système de dynodes, à tensionprogressive.- Effet photoélectrique interne : il se déroule dansun semiconducteur. C'est l'excitation d'un électron dansla bande de conduction qui donne en général lieu à uncourant. Celui-ci peut être mesuré pour servir de dé-tecteurs (photodiode, cellule photoélectrique) ou récoltépour fournir de l'électricité (cellule photovoltaïque).

8 Notes et références[1] H. Hertz, Annalen der Physik, 33, 1887, p. 983

[2] Manjit Kumar, Le Grand Roman de la physique quan-tique, Flammarion, 2012, 636 p. (ISBN 978-2-0812-8276-6)

[3] Pour « ses services à la physique théorique, et spéciale-ment pour sa découverte de la loi de l'effet photoélec-trique » (voir (en) Personnel de rédaction, « The NobelPrize in Physics 1921 », Fondation Nobel, 2010 (consultéle 15 juin 2010) : « for his services to Theoretical Physics,and especially for his discovery of the law of the photoe-lectric effect »)

9.1 Articles connexes 3

[4] Musée historique de Berne

9 Voir aussi

9.1 Articles connexes

• Travail de sortie

• Diffusion Compton

• Émission par effet de champ

• Portail de l’optique

• Portail de la physique

• Portail de l’électricité et de l’électronique

4 10 SOURCES, CONTRIBUTEURS ET LICENCES DU TEXTE ET DE L’IMAGE

10 Sources, contributeurs et licences du texte et de l’image

10.1 Texte• Effet photoélectrique Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet%20photo%C3%A9lectrique?oldid=111705879 Contributeurs : Med,

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