Sciences · Physique
L’effet photoélectrique
L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un matériau éclairé par une lumière de fréquence suffisante. Einstein l’a expliqué en 1905 en supposant que la lumière est faite de grains d’énergie, les photons.
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Éclairez une plaque de zinc chargée négativement avec une lampe à ultraviolets : elle se décharge. Éclairez-la avec une lumière rouge, même très intense : rien ne se passe. Ce comportement était inexplicable pour la physique du XIXe siècle, qui considérait la lumière comme une onde continue. Son explication par Albert Einstein, en 1905, a été l’un des actes de naissance de la physique quantique et lui a valu le prix Nobel.
Les observations
| Date | Découverte |
|---|---|
| 1887 | Heinrich Hertz remarque qu’une étincelle jaillit plus facilement entre deux électrodes éclairées par de l’ultraviolet |
| 1888 | Wilhelm Hallwachs montre qu’une plaque de zinc chargée négativement se décharge sous ultraviolet |
| 1899 | J. J. Thomson identifie les particules émises : ce sont des électrons |
| 1902 | Philipp Lenard montre que l’énergie des électrons émis ne dépend pas de l’intensité de la lumière, mais de sa fréquence |
Les faits établis par Lenard sont déroutants :
- En dessous d’une fréquence seuil, aucun électron n’est émis, même avec une lumière très intense.
- Au-dessus du seuil, des électrons sont émis immédiatement, même avec une lumière très faible.
- L'énergie des électrons émis augmente avec la fréquence de la lumière, pas avec son intensité.
- L'intensité de la lumière ne change que le nombre d’électrons émis.
Pourquoi la théorie ondulatoire échoue
Si la lumière était une onde continue, son énergie serait répartie uniformément sur le front d’onde. Une lumière intense, de n’importe quelle couleur, devrait finir par fournir assez d’énergie pour arracher des électrons ; une lumière faible devrait demander un temps d’accumulation avant toute émission. Aucune de ces prédictions n’est vérifiée.
L’explication d’Einstein (1905)
Dans un article publié en mars 1905, Einstein reprend l’idée que Max Planck avait introduite en 1900 pour le rayonnement du corps noir, mais il va plus loin : la lumière elle-même est constituée de quanta d’énergie, que l’on appellera plus tard photons (le mot date de 1926). Chaque photon transporte une énergie :
E = h × f
où f est la fréquence de la lumière et h ≈ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s la constante de Planck (voir constantes physiques).
Un électron absorbe un seul photon à la fois. Pour quitter le métal, il doit dépenser une énergie minimale appelée travail d’extraction W₀. Le reste devient son énergie cinétique :
Ec max = h × f − W₀
Tout s’explique :
- si
h f < W₀, aucun photon n’a assez d’énergie, quel que soit leur nombre : pas d’émission ; - l’intensité correspond au nombre de photons, donc au nombre d’électrons émis ;
- l’énergie des électrons croît linéairement avec la fréquence.
| Métal | Travail d’extraction approximatif (eV) | Longueur d’onde seuil approximative |
|---|---|---|
| Césium | 2,1 | 590 nm (jaune) |
| Sodium | 2,3 | 540 nm (vert) |
| Zinc | 4,3 | 290 nm (ultraviolet) |
| Cuivre | 4,7 | 260 nm (ultraviolet) |
| Platine | 5,6 | 220 nm (ultraviolet) |
C’est pourquoi l’expérience de la plaque de zinc ne fonctionne qu’avec de l’ultraviolet.
La vérification de Millikan
L’idée d’Einstein a d’abord été accueillie avec scepticisme. L’Américain Robert Millikan, persuadé qu’elle était fausse, mène des mesures précises de 1914 à 1916. Elles confirment exactement la relation linéaire prévue et fournissent une valeur précise de h. Einstein reçoit le prix Nobel de physique 1921 « en particulier pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique », Millikan celui de 1923.
Une révolution conceptuelle
L’effet photoélectrique montre que la lumière, que les expériences d’interférences avaient prouvée ondulatoire (voir interférences et diffraction), se comporte aussi comme un flux de particules. Cette dualité onde-corpuscule, étendue ensuite à la matière par Louis de Broglie, est au cœur de la mécanique quantique. Voir dualité onde-particule.
Les applications
| Application | Principe |
|---|---|
| Cellules photovoltaïques | effet photoélectrique interne : les photons libèrent des électrons dans un semi-conducteur (voir semi-conducteurs) |
| Capteurs d’appareils photo (CCD, CMOS) | chaque pixel convertit les photons reçus en charges électriques |
| Photomultiplicateurs | un photon arrache un électron, multiplié en cascade : détection de lumières extrêmement faibles |
| Cellules photoélectriques | ouverture automatique des portes, barrières de sécurité, éclairage public |
| Spectroscopie photoélectronique | analyse de la composition des surfaces |
| Lunettes de vision nocturne | conversion et amplification des photons |
Dans l’espace, l’effet photoélectrique dû au rayonnement solaire charge électriquement la surface des satellites et les grains de poussière.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que l’effet photoélectrique en une phrase ?
C’est l’arrachement d’électrons d’un matériau par la lumière, qui ne se produit que si chaque photon possède une énergie suffisante, c’est-à-dire si la fréquence de la lumière dépasse un seuil.
Pourquoi Einstein a-t-il eu le prix Nobel pour l’effet photoélectrique ?
Parce que sa loi, confirmée expérimentalement par Millikan, était solidement vérifiée, alors que la relativité était encore discutée. Le comité Nobel a récompensé ses travaux de physique théorique et en particulier cette loi.
Pourquoi une lumière intense rouge n’arrache-t-elle pas d’électrons ?
Parce que chaque photon rouge transporte trop peu d’énergie pour arracher un électron, et qu’un électron n’absorbe qu’un photon à la fois. Augmenter l’intensité augmente le nombre de photons, pas leur énergie individuelle.
Quelle est la formule de l’effet photoélectrique ?
Ec max = h f − W₀ : l’énergie cinétique maximale des électrons émis est égale à l’énergie du photon moins le travail d’extraction du métal.