Sylvain GAYDOU TS1 Jean-François HUE

OLYMPIADES DE LA PHYSIQUE

Lycée Gabriel Fauré – Annecy Haute-Savoie

Année scolaire 2006-2007

SOMMAIRE REMERCIEMENTS...................................................................... p 3 INTRODUCTION.......................................................................... p 4 UN PEU D’HISTOIRE .................................................................. p 6 L’EFFET PHOTOELECTRIQUE, PASSAGE OBLIGATOIRE POUR DETERMINER LA CONSTANTE DE PLANCK.................. ......... p 8 PROTOCOLE AFIN DE DETERMINER LA CONSTANTE DE PLANCK ............................................. ....................................... p 13 PROBLEMES RENCONTRES............................... .................... p 22 CONCLUSION ........................................................................... p 33 ANNEXES .................................................................................. p 35

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Nous tenons tout particulièrement à remercier Monsieur Laurent DOUR, notre professeur de physique / chimie qui nous a étroitement accompagnés durant l’ensemble de notre projet. Nous sommes extrêmement reconnaissants envers Monsieur DELLA FAILLE et Monsieur BRITON, de la société ADIXEN, filiale d’ALCATEL, pour le prêt du matériel de pompage, sans lequel rien n’aurait été possible. Un grand merci à Madame Sylvie ZANIER, de l’UJF, pour le prêt du monochromateur indispensable à nos expériences. Nous remercions également Monsieur Laurent DUCLAUX, du LCME, Université de Savoie, pour le prêt du tube en quartz, nécessaire à la réalisation de la cellule photoélectrique. Et enfin, tous nos remerciements à Mesdames DOMINELLI et PELETIER, laborantines au Lycée Gabriel Fauré, pour leur patience et leur disponibilité.

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INTRODUCTION

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Nous avons commencé à nous pencher sur les Olympiades de la physique en mai 2006, après notre sujet sur l’effet photoélectrique pour les TPE. Nous avons eu l’idée de pousser le sujet plus loin et nous nous sommes alors inscrits aux Olympiades. Le sujet : « détermination de la constante de Planck par l’effet photoélectrique » répondait parfaitement à nos attentes. Notre objectif était donc de déterminer expérimentalement, avec un minimum d’erreurs, l’une des plus célèbres constantes de la physique fondamentale.

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UN PEU D’HISTOIRE

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C’est en 1886 que le physicien Hertz observe pour la première fois l’effet photoélectrique : en éclairant une plaque de métal avec une lumière de longueur d’onde assez courte, il constate qu’il y a extraction d’électrons de ce métal. La théorie ondulatoire de la lumière en vigueur à l’époque ne lui permis pas d’expliquer cette extraction qui dépendait de la longueur d’onde de la lumière et non de son intensité. Ce n’est que vingt ans plus tard que Albert Einstein, avec l’aide des travaux de Max Planck, parvint à expliquer ce phénomène Il postule que la lumière est en fait constituée de grains, les photons portant chacun une énergie hν, h étant la constante de Planck et ν la fréquence de la lumière incidente.

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L’effet photoélectrique :

passage obligatoire pour déterminer

la constante de Planck

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I- COMMENT MONTRER L’EFFET PHOTOELECTRIQUE ? Pour mettre en évidence l’effet photoélectrique on peut utiliser un électroscope. a) L’ELECTROSCOPE : FONCTIONNEMENT

Au départ, l’électroscope est neutre, c'est-à-dire que l’ensemble des électrons libres du métal est réparti de façon homogène. Lorsqu’un objet chargé (ici négativement) entre en contact avec l’électroscope il va lui transmettre ses électrons en excès. Les électrons repoussent les électrons libres du tube de cuivre. Leur mobilité permet à l’excédent de charges négatives de se répartir à la surface de l’ensemble des parties métalliques en particulier au niveau des tiges verticales. Elles portent une charge de même signe (ici négative). Elles se repoussent : la tige mobile s’éloigne de la tige fixe. Globalement, l’ensemble des conducteurs métalliques porte maintenant une charge électrique négative. Cet état électrique se conserve même en l’absence du bâton d’ébonite.

Photo d’un

électroscope chargé

Lorsque l’on extrait des électrons du métal, ce dernier diminue son excès d’électrons. L’électroscope va alors retrouver sa neutralité. Ainsi, les électrons en excès de l’électroscope vont avoir tendance à se déplacer vers la zone déficitaire. La répartition des charges dans l’ensembles des conducteurs métalliques étant toujours homogène : les tiges reviennent à leur position initiale.

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b) L’EFFET PHOTOELECTRIQUE : PROTOCOLE EXPERIMENTAL Nous avons vu qu’en éclairant un métal avec une lumière assez énergétique des électrons étaient extraits de celui-ci. En effet chaque métal est caractérisé par son travail d’extraction 0W c'est-à-dire l’énergie minimum à apporter pour lui extraire un électron. L’énergie hν qu’apporte le photon est donc utilisée pour ce travail ; si elle est plus grande que ce travail, l’excédent d’énergie va être cédé à l’électron sous forme d’énergie cinétique. • Matériel nécessaire - un électroscope chargé préalablement, le tout isolé électriquement. - plaques de métal : cuivre, zinc, aluminium. - une source émettant des rayons ultraviolets (UV) : lampe détectrice de faux billets qui est constituée d’un tube à vapeur de mercure qui émet un pic à 254 nm. - une plaque de verre, deux cubes en verre. - machine de Wimshurst, bâton de PVC, boule d’aluminium suspendue à un fil de nylon et à une potence

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• Manipulation On dispose l’électroscope sur deux cubes en verre afin de l’isoler électriquement et d’éviter toute interférence. On place la plaque de métal (cuivre, zinc ou aluminium), préalablement décapée, en position verticale sur l’électroscope. On charge ensuite l’électroscope. Pour ce faire on utilise une machine de Wimshurst. Lorsque l’on charge la machine de Wimshurst on ne sait pas quel est le pôle négatif ou positif. Pour le savoir on approche une boule d’aluminium préalablement chargée négativement à l’aide d’un bâton de PVC .On approche la boule de l’un des pôles de la machine : si la boule est repoussée il s’agit du pôle négatif. Photo de la machine de Wimshurst avec boule d’aluminium :

On relie la partie métallique de l’électroscope à la partie négative de la machine de Wimshurst à l’aide de fils électriques. Les métaux utilisés nécessitent un éclairage UV à cause de leurs travaux d’extractions (cf. annexe). On éclaire la plaque de métal à l’aide de la lampe détectrice de faux billets émettant à 254 nm ce qui est suffisant pour les trois métaux utilisés.

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Boule d’aluminium

Machine de Wimshurst

Photo du montage :

• Observation Lorsque l’on allume la lampe après plusieurs minutes d’attentes, on constate que l’électroscope se décharge. Cela signifie que l’on a extrait des électrons du métal, et donc qu’il y a eu effet photoélectrique. En opposant une plaque de verre (ne laisse pas passer les UV) entre la source et l’électroscope l’aiguille ne descend plus : il s’agit bien de l’effet photoélectrique qui est observé. • Conclusion Il s’agit bien de l’effet photoélectrique qui est observé.

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Electroscope chargé

Lampe émettant à λ = 254 nm

Plaque de cuivre

PROTOCOLE AFIN DE DETERMINER

LA CONSTANTE

DE PLANCK

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I- PREPARATION A L’EXPERIENCE Pour déterminer la constante de Planck on crée un cellule contenant deux métaux : l’un sert d’anode et l’autre de cathode.

Photons incidents d'énergie h.ν

e-

UCA

AC

Schéma de la cellule photoélectrique

On éclaire la cathode avec une lumière assez énergétique pour lui extraire des électrons (effet photoélectrique). Les électrons arrachés vont pouvoir, grâce à l’énergie cinétique qui leur a été donnée, se déplacer en tous sens sur un parcours moyen (en effet le vide doit être fait dans la cellule). Evidemment une partie des électrons extraits vont arriver sur la plaque de métal servant d’anode et créer la tension ACU (voir schéma). Du point de vue qualitatif on dit qu’en un point B de l’espace, ici entre

la cathode et l’anode, il existe un champ électrique E si plaçant en ce point une charge électrique q celle-ci est soumise à une force

électrique Fe. Lorsque la charge est négative (ce qui est le cas) le

champ électrique crée est de sens opposé ( E est dirigé vers la charge).

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CAU

Dans notre cas les électrons sont extraits de la cathode et certains rejoignent l’anode. Ainsi les électrons accumulés au niveau de

l’anode créent un champ électrique E de sens opposé à celui des électrons.

C A

−e −e

F E

Schéma du sens des électrons et du champ électrique qu’ils créent Ainsi plus on va extraire d’électrons, plus il y aura d’électrons accumulés sur l’anode et plus le champ électrique opposé au sens des électrons sera important. Ce dernier, à force d’augmenter, finira par empêcher le passage des électrons de la cathode vers l’anode. On voit donc bien que la tension ACU , aux bornes de la cellule, va augmenter jusqu’à une valeur limite.

Le travail de la force électrique Feau cours de ce déplacement de C vers A vaut :

CACAAC UeUqFeW ×−=×=→ )( Comme nous l’avons vu, au bout d’un moment la force électrique créée par ces électrons déjà accumulés empêchera le passage de nouveaux électrons venus de la cathode. On considère le cas limite où l’électron issu de la cathode arrive avec une vitesse nulle sur l’anode. Pour se faire on applique le théorème de l’énergie cinétique entre l’état initial où l’électron part de la cathode et l’état final où l’électron arrive sur l’anode avec une vitesse nulle ( 0)( =−evA et donc 0=AEc ). Pour appliquer ce théorème on néglige le travail du poids, et on ne

considère que le travail de la force électrique Fe.

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Les équations donnent :

(1) Nous avons dit que l’énergie apportée par le photon sert d’une part à extraire l’électron du métal, et d’autre part, si hν est plus grand que 0W , le surplus d’énergie communiqué à l’électron apparaît sous forme d’énergie cinétique. Donc dans le cas où l’électron est extrait, son énergie cinétique vaut alors : h ν – 0W . Une fois extrait, l’électron possède pour seule énergie son énergie cinétique. On peut donc écrire : 0WhEc −= ν En reprenant l’équation (1) on obtient : L’objectif est donc de déterminer la tension limite entre l’anode et la cathode pour plusieurs longueurs d’ondes connues. On pourra ensuite tracer des droites )(νfUCA = ayant pour coefficient directeur

e

h et l’on pourra ainsi déterminer la constante de Planck.

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)()( FeWFWEcEcEcsextérieureCA ==−=∆ ∑

)(FeWEcEc C =−=∆

CAC

CAC

UeEc

UeEc

×=⇔×−=−

CAUeWh ×=−× 0)( ν

)()( 0

e

W

e

hUCA −×= ν

II- PROTOCOLE : MESURE DE LATENSION AUX BORNES D’UN CONDENSATEUR AVEC UN VOLTMETRE • Matériel nécessaire - cellule photoélectrique (voir ci-après p. 26-27) - condensateur 2,2 nF - ampli-op TL081 - une lampe UV avec une raie à 254 nm - dispositif ESAO permettant l’acquisition de la tension en fonction du temps - voltmètre

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• Manipulation 1 Le but de cette expérience est de parvenir à mesurer une tension aux bornes de la cellule photoélectrique en éclairant la cathode de celle-ci avec une lumière de longueur d’onde connue. Manipulation : On branche un condensateur en série avec la cellule afin d’emmagasiner les électrons provenant de l’anode. La tension Uc est donc la même que UCA. On branche donc un voltmètre directement en dérivation sur le condensateur. Schéma du montage :

V

C

UCA

Photons incidents d'énergie hv

UC

C A

e-

Observation : On obtient des tensions voisines de zéro, ou en tout cas, très faibles, et qui varient de manière erratique. Conclusion : On pense que la résistance d’entrée de notre voltmètre est insuffisante. En effet, en supposant qu’elle vaut 1 MΩ, une tension d’un volt provoque un courant de 1nA dans le voltmètre. Or le courant dû à l’effet photoélectrique qui doit charger notre condensateur est du même ordre. Pas étonnant alors que la tension aux bornes du condensateur reste nulle.

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• Manipulation 2 Manipulation : Pour résoudre le problème de l’intensité d’entrée du voltmètre, nous avons utilisé un ampli-op en montage suiveur. Un montage suiveur permet de « copier » une tension, mais celui-ci à la différence du voltmètre, ne se laisse pas traverser par des courants d’intensité très faible. En effet, un ampli op idéal a un courant d’entrée nul. Nous utilisons un ampli op, TL081 dont le courant d’entrée est de 5 pA ce qui est 500 fois plus petit que ce que nous nous attendons à mesurer. Schéma du montage suiveur utilisé :

-

+S

TL081

Uc

Us

Vers la cathode

Anode

Avec Uc tension aux bornes du condensateur et Us tension mesurée aux bornes du voltmètre.

Afin de mesurer la tension aux bornes du condensateur, on relie l’anode à la masse et la cathode l’entrée + de l’ampli-op. Ensuite, on branche le voltmètre de façon à mesurer la tension Us, c’est à dire entre la sortie et la masse.

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Schéma du montage avec le suiveur :

V

C

UCA

Photons incidents d'énergie hv

UC

MONTAGE SUIVEUR

C A

e-

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• Résultats Pour suivre facilement la tension aux bornes du condensateur, on réalise une acquisition ESAO avec un ordinateur. On réalise une acquisition sur 10 minutes. Le résultat donne :

On voit bien que la tension aux bornes du condensateur sature pour une valeur de U d’environ 7,5 V. On voit aussi qu’il y a présence de parasites lors de l’acquisition dus au 50 Hz. On tente de déterminer une valeur approximative de la constante de Planck à l’aide de la relation

ν)( 0WeU

h AC +=⇔

Nous éclairons avec une lumière de longueur d’onde 254 nm soit une fréquence de 1510.18,1 Hz. On prend 1,40 =W eV pour le zinc, car c’est le métal que nous avons utilisé. Le calcul de la constante à l’aide de la relation (1) donne pour h la valeur de 3310.6 − J.s. Si on compare avec la valeur réelle de la constante de Planck qui vaut 3410.626,6 − J.s, on obtient une valeur d’environ 800%.

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)()( 0

e

W

e

hU AC −×= ν

PROBLEMES RENCONTRES

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Nous n’avons pas la bonne mesure mais nous en avons une quand même ce qui n’a pas toujours été le cas. En effet nous avons été confrontés à de nombreuses épreuves. Tout d’abord, pour notre effet photoélectrique deux options se présentaient à nous : soit nous choisissions d’utiliser des métaux pour lesquels on pouvait extraire dans le visible (césium, potassium…), soit nous choisissions des métaux que l’on trouve facilement (zinc, cuivre, aluminium…) mais nécessitant un éclairage dans l’Ultraviolet. Ces deux solutions présentaient des difficultés car les métaux comme le césium ou le potassium sont très réactifs à l’air libre et nécessitent une manipulation sous vide. C’est d’ailleurs le césium qui était utilisé dans la cellule que nous avions manipulé à l’Université de Savoie (Prépa CAPES, Mmes Marie Ginibre et Mme Marie Pierre Vaillant). Cependant nous avons décidé d’opter pour l’autre solution dans laquelle il fallait trouver une bonne lampe UV.

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I- LA SOURCE Pour parvenir à observer l’effet photoélectrique, il est donc nécessaire de posséder une source capable de produire des UV, afin d’extraire des électrons aux métaux considérés. Au début, nous avons utilisé comme source lumineuse un arc électrique, celui-là même que nous avions employé pour nos TPE. Il permettait bien d’observer la descente de l’aiguille de l’électroscope, mais cet arc était instable (son intensité n’était pas constante : parfois il émettait une lumière jaune et parfois très blanche, c'est-à-dire qu’il ne faisait que des sauts temporaires dans les UV). De plus son fonctionnement était dangereux ; risques de brûlures dus à la température, risques d’électrocution… Schéma d’une manipulation de l’arc électrique :

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Tige de carbone

Départ du faisceau lumineux

Molette pour approcher les tiges de carbone

Nous l’avions aménagé afin de limiter ces risques (fabrication d’un carter pour ne laisser aucun contact apparent, notamment les électrodes de carbone visible sur les photos page suivante), et avions même employé une plaque chauffante à la place des rhéostats du lycée afin de pouvoir augmenter la résistance (ici par effet Joule), et d’empêcher un court-circuit, tout en supportant une intensité assez forte. Ainsi, la résistante de la plaque chauffante permettait d’obtenir parfois une lumière blanche riche en UV de la part de l’arc avec une certaine sécurité. Toutefois, ayant eu des difficultés à observer l’effet photoélectrique de manière systématique, nous avons commencé à douter de la présence d’UV dans la lumière de l’arc. Il fallait donc un moyen de détecter des UV. Afin de tester la présence d’UV suffisamment énergétiques (longueur d’onde assez faible) nous avons employé des plaques de chromatographie. En effet certaines plaques de CCM contiennent un indicateur fluorescent permettant une révélation dans l'UV proche (366nm) ou lointain (254nm). Le gel de silice de ces plaques contient l'indicateur UV254 qui est un silicate de zinc activé au manganèse, dont le maximum d'absorption est à 254nm. Il présente une fluorescence verte. Cependant nous n’observions aucun changement de couleur en éclairant la plaque avec l’arc. Or, nous supposions que celui-ci balayait un large spectre, allant du visible à l’ultraviolet. (Environ jusqu’à 250 nm). Nous apprîmes ensuite la présence d’une lampe détectrice de faux billets au lycée émettant une raie dans les UV à 254nm au lycée. Cette lampe rendait bien les plaques de CCM fluorescente et en interposant une plaque de verre entre la plaque de CCM et la lampe, la plaque perdait sa fluorescence. Cette lampe très stable nous permettait d’obtenir un très bon effet photoélectrique avec l’Aluminium et le Cuivre, dans l’air.

Plaque de CCM éclairée à l’aide de la lampe détectrice de faux billets avec une longueur d’onde de 254 nm

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Nous étions sûrs que c’était bien l’effet photoélectrique qui était observé, car en interposant une plaque en verre entre le métal et la source UV, l’électroscope arrêtait de se décharger. Lors de nos expérimentations avec l’arc électrique, nous nous étions procurés un monochromateur (voir annexe pour le fonctionnement), afin de pouvoir sélectionner la longueur d’onde de notre choix pour extraire, car nous pensions que l’arc balayait un large spectre lumineux, allant du visible aux UV. Cependant, le monochromateur ne nous a pas servi outre mesure après cela, car notre lampe détectrice de faux billets n’émettait qu’une seule longueur d’onde dans l’UV à 254 nm. Le monochromateur était donc inutile. II- LA MATIERE DE LA CELLULE Les métaux que nous voulons utilisés ayant des travaux nécessitant un éclairage UV pour leur extraire des électrons cela nous empêchait d’utiliser une cellule en verre, opaque aux UV. Ainsi, nous sommes allés à la faculté du Bourget pour nous procurer un tube en quartz que M. DUCLOS du LCME accepta de nous prêter. En effet le quartz laisse passer les UV et la cellule que cette personne nous prêtait pouvait s’associer avec la pompe à vide que nous possédions. Nous avons d’ailleurs vérifié que cette cellule laissait bien passer les UV en éclairant, à l’aide de notre lampe à billet, une plaque de CCM indicatrice UV254 placée à l’intérieur du tube. La plaque, devenant verte, nous assura donc que notre tube était bel et bien en quartz La tube en quartz que nous prêta M.Duclos possédant une forme bien particulière, nous avons du adapté notre montage anode/cathode.

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III- LE MONTAGE ANODE / CATHODE Comme indiqué précédemment l’idéal aurait été de pouvoir utiliser du césium Cs ou du potassium K mais ceux-ci ne sont pas manipulables à l’air libre Nous avions d’abord opté pour une plaque d’aluminium pour la cathode mais ce métal s’oxyde très facilement en créant un dépôt d’alumine. Nous avons donc finalement préféré la plaque de zinc. Cependant il était clair que la plaque représentant notre anode devait avoir un travail d’extraction très élevé pour ne pas subir l’éclairage des UV. Nous avons donc choisi un fil de platine qui était en notre possession au lycée. Nous avons soudé notre plaque de zinc et notre fil de platine respectivement avec des fils de cuivre émaillés pour relier notre montage anode/cathode vers l’extérieur. Bien sûr il était aussi nécessaire qu’à l’intérieure de la cellule l’anode et la cathode ne se touchent pas tout en restant assez proches pour récupérer les électrons. Nous les avons donc séparés avec des morceaux de verre, très bon isolant. Une fois que nous pensions avoir terminé avec notre cellule nous avons essayé d’observer l’effet photoélectrique avec notre plaque à l’intérieur de notre cellule. Un problème se présenta à nouveau : une fois chargé et relié à la plaque, l’électroscope se déchargeait tout seul. Il y avait un problème de fuite de courant. En touchant le fil, l’électroscope (cordon classique utilisé dans les lycées, muni de fiches bananes aux extrémités) se déchargeait. En effet les électrons arrachés représentent un courant très faible (peut être 1 nA) et la résistance des gaines n’est plus suffisante à cette échelle. Or les deux fils de cuivres, entourés d’un isolant, soudés respectivement à l’anode et à la cathode se touchaient dans notre cellule (en effet au début nous avions confiance en la résistance des gaines d’émail) et les fils utilisés à l’extérieur de notre cellule pour les montages touchaient la table. De plus l’endroit les cosses que nous utilisions pour relier les fils au passage étanche de notre cellule n’étaient pas sûres non plus.

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Les anciens contacts :

Nous avons donc modifié tous les contacts en essayant de supprimer tout risque de fuite : o Utilisation de câble coaxial blindé pour relier la cathode au

passage étanche o Passage du fil de cuivre émaillé, à l’intérieur du tube de quartz,

dans un tube de verre qui l’isole complètement du câble coaxial. o Changement des cosses à la sortie du passage étanche :

remplacement des cosses utilisées dans l’automobile par des cosses utilisées dans les alimentations informatiques

o Passage des câbles à la sortie dans des tubes en verre pour

éviter qu’ils ne se touchent.

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Passage étanche Cosses

Extrémité du tube en quartz Fil de

platine

Plaque de zinc

Les nouveaux contacts :

On peut voir qu’une partie des fils à la sortie du tube restent sans protection à l’air libre mais en faisant preuve d’une extrême vigilance pour que rien ne les touche (ni nos mains ni autre chose) cela ne pose aucun problèmes.

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IV- LE VIDE Notre objectif n’est pas seulement d’observer l’effet photoélectrique dans l’air. En effet nous voulons réaliser notre cellule afin de récupérer les électrons sur une anode et d’inclure cette cellule dans un circuit. Nous voulions donc que certain des électrons extraits de la cathode arrivent à l’anode : cela posait un nouveau problème, il fallait créer un vide poussé à l’intérieur de notre cellule. Notre professeur nous mit en contact avec M. BRITON, manager du développement de la société Adixen, filiale d’Alcatel, spécialisée dans la conception et la fabrication de pompes à vide et présente à Annecy. Il accepta volontiers de nous prêter une de leur pompe à vide afin de faire un vide secondaire mbar410− dans notre cellule et donc de régler une condition sine qua non. Cela a été l’occasion de visiter le labo de recherche et développement de Adixen, et de mesurer à quel point les applications du vide sont nombreuses

Système groupe

de pompage (Pour le

fonctionnement voir annexe)

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V- Obtention de l’effet photoélectrique à l’intérie ur de la cellule • Matériel nécessaire - un électroscope chargé préalablement, le tout isolé électriquement. - cellule photoélectrique + groupe de pompage - lampe détective de faux billets - une plaque de verre, deux cubes en verre. - machine de Wimshurst, bâton de PVC, boule d’aluminium suspendue à un fil de nylon et à une potence • Manipulation On dispose l’électroscope sur deux cubes en verre afin de l’isoler électriquement et d’éviter toute interférence. On relie la cathode de la cellule à l’électroscope à l’aide d’une pince crocodile et on ferme ensuite hermétiquement la cellule. On fait ensuite le vide à l’intérieur de la cellule jusqu’à mbar310− . On charge ensuite l’électroscope à l’aide de la machine de Wimshurst en prenant bien garde de sélectionner le pôle négatif. On éclaire ensuite à l’aide de la lampe la plaque de zinc reliée à l’électroscope à l’intérieur de la cellule avec la longueur d’onde λ = 254 nm.

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• Observations - Une attente de plusieurs minutes sans allumer la lampe ne produit aucun changement au niveau de l’électroscope ni de la cellule. L’électroscope reste chargé. - Immédiatement après l’ouverture de la lampe, l’électroscope se décharge rapidement à une vitesse constante. En répétant l’expérience à plusieurs reprises, on obtient les mêmes résultats. Si l’on coupe la lampe pendant que l’électroscope se décharge, l’aiguille cesse de descendre et se stabilise, même en attendant plusieurs minutes. - L’interposition d’une plaque de verre entre la lampe et la cellule lors de la décharge de l’électroscope met fin à la descente de celui-ci. Si l’on retire la plaque, l’aiguille de l’électroscope recommence immédiatement à descendre. • Interprétation Lorsque l’on charge l’électroscope relié à la plaque de zinc avec la machine de Wimshurst, il y a apport d’électrons. Ainsi, le système électroscope + plaque de zinc contient un surplus d’électrons, ce qui se traduit par la montée de l’aiguille de l’électroscope. Lorsque l’on éclaire la plaque de zinc avec de la lumière à 254 nm, celle-ci est suffisamment énergique pour extraire des électrons. Ainsi, les électrons en surplus présents dans le système électroscope + plaque de zinc font chercher à rétablir l’équilibre en rejoignant la plaque de zinc afin de compenser la dissymétrie électrique produite par l’extraction des électrons. Ainsi, les électrons présents sur la tige mobile de l’électroscope vont rejoindre la plaque de métal et ainsi rétablir l’équilibre électronique. C’est pour cela que l’on observe une décharge de l’électroscope. La plaque de verre, comme dans l’expérience de l’effet photoélectrique dans l’air stoppe les UV et donc les photons suffisamment énergétiques à l’extraction d’électrons du métal. Il s’agit bien ici de l’effet photoélectrique.

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CONCLUSION

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Le rassemblement de l’ensemble du matériel nécessaire à l’expérience a pris tout le temps des vacances d’été. Notre rencontre avec M. Briton pour la pompe, avec M. Laurent Duclos pour l’obtention de notre tube en quartz, nos déplacements à la Faculté du Bourget pour le monochromateur, nous ont permis d’établir de riches contacts avec le monde scientifique local. Nous n’avons ainsi pu commencé à réellement travailler expérimentalement qu’à la fin du mois de septembre. Les problèmes expérimentaux ne se sont ainsi posés qu’au milieu du mois d’octobre. Certains ont été résolus : remplacement du bâton d’ébonite par la machine de Wimshurst pour charger l’électroscope, obtention d’une source UV stable et sûre (une lampe UV en commande devrait même donner encore de meilleurs résultats), contacts de la cellule photoélectrique optimisés… D’autres voies ont été esquissées, mais n’ont pu être approfondies, faute de temps : montage suiveur avec un ampli op TL081 au lieu de LM741, blindage des fils longs reliant la cellule et le montage, ou encore perfectionnement des montages électroniques (filtrage, amplification…). Afin de déterminer la constante de Planck, la bonne solution nous paraît être la mesure de la tension aux bornes du condensateur. Il nous reste à savoir si nous allons employer l’électromètre (qui est en commande), ou un voltmètre avec un montage suiveur pour mesurer la tension à ses bornes. La démarche des Olympiades nous a beaucoup plu, l’aspect expérimental nous paraissant le passage obligé pour que la science progresse. Il est vrai que nous rencontrons des obstacles, mais le plaisir de parvenir à les surmonter est véritablement grisant. Nous avons beaucoup apprécié le fait de travailler à la « détermination de la constante de Planck », sujet complexe, mais néanmoins captivant, même si nous n’avons pu le mener plus avant, faute de temps.

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ANNEXES

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I- LE VIDE a) QUELQUES INDICATIONS SUR LE VIDE VIDE PRESSION LIBRE PARCOURS 510 Pascal 1000 mbar 50 nm

410 Pascal 100 mbar 500 nm Grossier 310 Pascal 10 mbar 5 µm

210 Pascal 1 mbar 50 µm 110 Pascal 110− mbar 0.5 mm Primaire

1 Pascal 210− mbar 5 mm 110− Pascal 310− mbar 5 cm

210− Pascal 410− mbar 50 cm 310− Pascal 510− mbar 5 m

Secondaire

410− Pascal 610− mbar 50 m 510− Pascal 710− mbar 500 m b) FONCTIONNEMENT DE LA POMPE Le matériel de pompage qui nous a été prêté par M. BRITON et M. DELLA FAILLE membre de la société ADIXEN constitue un groupe de pompage. Il associe une pompe primaire (de type roots) et une pompe moléculaire. Chacune de ces pompes intervient à un moment précis et d’une manière différente dans l’expulsion des molécules de gaz provoquant donc le vide.

• La pompe roots Sur le principe elle est constituée de deux rotors synchrones sur lesquels sont montés des lobes qui tournent l’un dans l’autre mais sans contacts. Le gaz est capté, puis transféré vers le refoulement. Généralement ces pompes roots sont multiétagées, ce qui permet essentiellement d’abaisser la pression limite de la pompe

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Schémas d’une pompe de type roots

Coupe transversale d’une pompe roots biretor

Pompe roots multiétagées

Cependant les roots doivent être associés à une pompe primaire, car leur faible taux de compression les empêche de produire seules du vide et de refouler à pression atmosphérique. L’avantage de ce genre de pompe c’est que, n’utilisant aucun liquide elles sont sèches, elles sont toujours sèches.

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• La pompe turbo-moléculaire Pour obtenir un vide encore plus poussé on associe à ces pompes, une pompe secondaire moléculaire permettant d’obtenir un vide secondaire. Dans ces pompes le gaz est transféré a travers la

pompe (il n’est pas piégé dans la pompe). Un cylindre (orange)

tourne en face d’une rayure usinée dans le stator (rouge et marron).

C’est le principe "Holweck" : Une molécule frappant le cylindre lisse est temporairement "collée" a la surface, puis re-émise avec une vitesse relative en direction d'une rayure qui fait office de "tunnel" et canalise, de réémission en réémission, vers le refoulement.

Tout ce matériel de pompage regroupé comme le montre la photo ci contre nous permet donc d’atteindre des pressions très basses de

410− mbar (vide secondaire). De plus il y a un manomètre intégré qui nous indique la pression à tout moment.

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II- LES DIFFERENTS TRAVAUX D’EXTRACTION

Elément Travail d’extraction

0W en eV Lambda 0 (en nm)

Césium 2,14 580 Potassium 2,3 540

Lithium 2,9 428 Magnésium 3,68 337 Aluminium 4,08 304

Zinc 4,3 289 Cuivre 4,65 267 Platine 6,35 195

IV- LE MONOCHROMATEUR Dans notre dossier nous avons dit que notre première source était un arc électrique. Nous avions supposé que sa lumière était continue. Cependant, et le problème est le même pour notre lampe en commande (qui émet plusieurs raies), pour utiliser ces lampes pour nos expériences qui nécessitent un éclairage monochromatique il faut sélectionner une raie à longueur d’onde précise. Ainsi nous avons contacté Mme Sylvie ZANIER qui a accepté de nous prêter un monochromateur, indispensable pour l’utilisation de ces lampes. Photo du monochromateur :

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Un monochromateur est un dispositif utilisé en optique pour sélectionner une gamme la plus étroite possible de longueurs d'onde à partir d'un faisceau lumineux de gamme de longueurs d'onde plus large. Le nom monochromateur est issu du grec mono (seul) et chroma (couleur).

Principe Pour séparer les différentes longueurs d'onde d'un faisceau lumineux, un monochromateur peut utiliser soit le phénomène de dispersion de la lumière par un prisme, soit le phénomène de diffraction par un réseau ou par un cristal. Il comprend généralement un système mécanique permettant de diriger le faisceau de longueur d'onde choisie vers une fente de sortie. La dispersion ou la diffraction du faisceau lumineux n'est utilisable que si la lumière est collimatée, c'est à dire si tous les rayons lumineux sont parallèles (ou pratiquement parallèles). Dans la pratique, les faisceaux lumineux sont presque toujours divergents, et il est nécessaire d'utiliser un collimateur pour rendre les rayons parallèles.

Généralement, les monochromateurs utilisent des collimateurs travaillant en réflexion (et non en transmission) pour le pas introduire de dispersion parasite de la lumière. Monochromateur de type Czerny Turner

Cette figure montre le schéma de principe d'un monochromateur de type "Czerny Turner". Le faisceau lumineux polychromatique issu de la source (A) traverse une fente d'entrée (B). La fente est située au point focal d'un miroir incurvé (le collimateur (C), généralement un

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miroir sphérique), si bien que tous les rayons réfléchis par le miroir sont parallèles. La quantité d'énergie lumineuse disponible pour l'utilisation dépend d'une part de l'énergie du faisceau issu de la source lumineuse traversant la fente, et d'autre part de la "largeur" du faisceau divergent qui se réfléchie sur le miroir. Le faisceau parallèle polychromatique est alors dispersé par le prisme ou diffracté par le réseau ou le cristal (D), puis est collecté par un autre miroir (E) qui le focalise sur la fente de sortie (F). Dans le cas du prisme ou du réseau, les différentes longueurs d'onde sont séparées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différents couleurs sont séparées), chacune arrivant à un point différent de la fente. Dans le cas d'un cristal, seul une seule longueur d'onde diffracte, suivant la valeur de l’angle incident (loi de Bragg). Le faisceau lumineux issu de la fente (G) n'est donc plus constitué que d'une seule longueur d'onde (et d'une faible proportion des longueurs d'onde voisines). Une rotation de D (prisme, réseau ou cristal) entraîne un déplacement du faisceau au niveau du miroir E et de la fente de sortie F, ce qui permet de sélectionner la longueur d'onde désirée en la centrant sur la fente.

V- WEBOGRAPHIE

http://referate.physics.pub.ro/referate/Dep%20fra/Efect-foto.pdf http://www.univ-orleans.fr/sciences/bourges/actualites/amp2005/Planck.pdf http://membres.lycos.fr/physicisss/labos/effet_photoel.pdf

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