Effet photoélectrique: historique, formules et exercices

O C'est faitphoto-électrique est un phénomène physique qui consiste en l'émission d'électrons par certains matériaux, généralement métalliques, lorsqu'il est éclairé par ondes électromagnétiques de fréquences spécifiques. Dans ce phénomène, le lumière se comporte comme un particule, transférant de l'énergie aux électrons, qui sont éjecté hors de la matière.

Résumé sur l'effet photoélectrique

Phénomène physique découvert par Heinrich Hertz en 1886 ;
Expliqué par Albert Einstein, en 1905, à travers la quantification de la lumière proposée par Planck en 1900 ;
Les électrons ne sont éjectés que si l'énergie des photons incidents est supérieure ou égale au travail de sortie du matériau ;
L'énergie cinétique des électrons éjectés ne dépend que de la fréquence de la lumière incidente ;
L'intensité lumineuse n'affecte que le nombre d'électrons éjectés chaque seconde.

Histoire de l'effet photoélectrique

Vers 1886, le physicien allemand Heinrichhertz (1857-1894) a effectué plusieurs expériences afin de démontrer l'existence de

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ondes électromagnétiques. Pour ce faire, Hertz a produit des décharges entre deux électrodes et, à l'occasion, il s'est rendu compte que, lorsqu'elle était éclairée, la cathode était capable de produire des décharges électriques plus intenses. Sans le savoir, Hertz avait découvert l'effet photoélectrique, par émission de des rayonscathode.

Deux ans après les observations de Hertz, J.J. Thomson prouvé que les particules émises par les plaques illuminées étaient des électrons. Par conséquent, thomson prouvé que le rapport charge/masse (e/m) des particules cathodiques était égal à celui de la électrons— particules découvertes par lui-même quelques années plus tôt.

Voirégalement: La découverte de l'électron

En 1903, l'assistant de Hertz, PhilippeLénard, développé une série d'expériences afin d'établir une relation entre le intensité lumineuse et le énergie électronique délivré, Lenard a conclu qu'il n'y avait aucune dépendance entre les deux choses, ce qui était à prévoir, selon les connaissances de la physique à cette époque. Un an plus tard, Schweilder il a pu prouver que l'énergie cinétique des électrons quittant les plaques métalliques était directement proportionnelle à la fréquence de la lumière qui les illuminait.

Les résultats obtenus expérimentalement contredisaient la théorie classique de électromagnétisme et est devenu un défi majeur pour les physiciens de l'époque pendant environ 18 ans. L'année de 1905, Einstein fait usage d'une proposition présentée par Planck, expliquant de manière satisfaisante la opération de effet photoélectrique. La proposition utilisée par Einstein s'appelle quantification du champ électromagnétique. En 1900, Planck tenta, par tous les moyens, d'expliquer la problème de corps noir, et n'a pu le faire qu'en suggérant que la lumière était quantifiée, c'est-à-dire qu'elle avait des valeurs énergétiques multiples d'une plus petite quantité. Bien que Planck ait compris que son exploit n'était qu'un appareil mathématique capable d'expliquer un phénomène physicien, Einstein croyait que la lumière était vraiment composée d'un grand nombre de particules qui avaient énergie. À l'avenir, de telles particules seraient appelées photons.

Après la publication de son article sur l'effet photoélectrique, Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

En savoir plus sur :Que sont les photons ?

Formules

Selon la théorie corpusculaire de la lumière, proposée par Planck et utilisée par Einstein pour expliquer l'effet photoélectrique, la lumière est composée d'un grand nombre de photons - des particules sans masse qui en transportent une petite quantité. Puissance. Cette énergie est proportionnelle à la fréquence de la lumière et aussi à la constante de Planck (h = 6,662,10^-34 J.s), comme le montre l'équation suivante :

ET - énergie photonique

H — constante de Planck

F - fréquence lumineuse

Si l'énergie d'un photon est suffisamment grande, il peut arracher des électrons du matériau. L'énergie cinétique d'un électron éjecté peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

K — énergie cinétique des électrons

ET - énergie photonique

Φ - fonction de l'emploi

D'après l'expression ci-dessus, l'énergie cinétique acquise par les électrons (K) dépend de l'énergie des photons incidents (E) et aussi de Φ (Occupationtravail). Cette quantité mesure la quantité d'énergie potentielle par laquelle les électrons sont liés au matériau, c'est l'énergie minimale nécessaire pour les arracher. Par conséquent, toute l'énergie excédentaire est transférée aux électrons sous forme de énergiecinétique. Ici, il est important de comprendre que l'énergie cinétique acquise par les électrons dépend de exclusivement donne fréquence de la lumière incidente et non l'intensité de la lumière émise.

La fréquence de la lumière, et non son intensité, détermine si les électrons seront éjectés.

table des fonctions de travail

Vérifiez mesure fonction de sortie de certains matériaux connus. Cette fonction fait référence au quantité minimum d'énergie nécessaire pour que les électrons soient arrachés à la surface du matériau :

Matériel	Fonction de travail (eV)
Aluminium	4,08
Cuivre	4,7
Le fer	4,5
Platine	6,35
Argent	4,73
Zinc	4,3

Expérience d'effet photoélectrique

Observez la figure ci-dessous, elle présente un schéma simplifié du montage expérimental, utilisé par Phillip Lenard, pour l'étude de l'effet photoélectrique :

Schéma expérimental utilisé pour étudier l'effet photoélectrique.

L'expérience consistait en deux plaques métalliques parallèles connectées à une batterie. Dans le circuit il y avait ampèremètres, utilisé pour mesurer le courant électrique entre les deux plaques, et voltmètres, utilisé pour mesurer la tension électrique établie par la batterie.

Lorsque cette batterie était éclairée par certaines fréquences de lumière, des électrons étaient émis par l'une des plaques, qui acquit des charges positives (cathode). Lorsqu'ils sont accélérés par une différence de potentiel fournie par la batterie, les électrons atteignent l'autre plaque. Ce courant électrique a été mesuré par l'ampèremètre.

Lenard a remarqué qu'avec l'augmentation de l'intensité lumineuse, plus d'électrons étaient éjectés chaque seconde. Cependant, en gardant constante la fréquence de la lumière émise par la source lumineuse, l'énergie avec laquelle les électrons ont été éjectés n'a pas changé. Regardez le tableau ci-dessous:

Le courant de saturation correspond au nombre d'électrons éjectés par la plaque illuminée chaque seconde.

La figure ci-dessus concerne courant électrique produite par des électrons, éjectés par une plaque et capturés par l'autre plaque, avec le potentiel électrique établi entre eux. En appliquant ce potentiel, les électrons qui venaient de quitter la plaque, même avec une énergie cinétique nulle, ont atteint l'autre plaque. Lorsque tous les électrons éjectés atteignent l'autre plaque, le courant électrique est saturé, c'est-à-dire qu'il commence à rester constant. On voit que le courant de saturation dépend de la intensité lumineuse: plus l'intensité lumineuse est élevée, plus le courant électrique formé entre les plaques est important.

Cependant, lorsqu'on applique un potentiel électrique opposé, afin de retarder le mouvement des électrons qui vont d'une plaque à l'autre, on constate qu'il y a un potentiel électrique minimum (V₀), appelé potentiel de coupe, où aucun électron ne peut atteindre l'autre plaque. Cela indique que l'énergie cinétique avec laquelle les électrons quittent les plaques ne dépend pas de l'intensité lumineuse. L'énergie cinétique maximale des électrons peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

K — énergie cinétique maximale des électrons

et — charge fondamentale (1.6.10^-19 Ç)

V₀ - potentiel de coupe

Électron-volt

Étant donné que les modules d'énergie cinétique des électrons ont des modules trop faibles pour être mesurés en Joules, ces mesures d'énergie sont régulièrement effectuées dans une autre unité beaucoup plus petite, la électron-volt (eV). L'électron-volt est la quantité d'énergie potentielle électrique subie par une particule chargée avec la valeur de charge existante la plus faible, un charge fondamentale, lorsqu'il est placé dans une région de potentiel électrique égal à 1 V. Par conséquent, 1 eV équivaut à 1,6.10^-19 J.

En plus de l'électron-Volt, il est courant d'utiliser des préfixes tels que: keV (kiloélectrons-Volts, 10³ eV), moi v (Mégaélectron-Volts, 10⁶ eV), TeV (téraélectron-volts, 10⁹ eV) etc.

Applications technologiques de l'effet photoélectrique

Plusieurs applications technologiques ont émergé sur la base de l'explication de l'effet photoélectrique. Le plus célèbre d'entre eux est peut-être les cellules photovoltaïques. Ces cellules sont les unités de base du panneaux solaires, à travers eux, il est possible convertir le énergie lumineuse dans courant électrique. Découvrez une liste des principales inventions basées sur l'effet photoélectrique :

Cellules photovoltaïques;
Relais ;
capteurs de mouvement;
Photorésistances.

exercices résolus

1) Une substance, lorsqu'elle est éclairée par des photons de 4 eV, est capable d'éjecter des électrons d'une énergie de 6 eV. Déterminer le module du travail de sortie d'une telle substance.

Résolution:

Nous utiliserons l'équation du travail de sortie pour calculer cette quantité, notez :

Si l'énergie cinétique des électrons éjectés (K) est égale à 6 eV et l'énergie des photons incidents (E) égale à 4 eV, on aura :

D'après le calcul effectué, le travail de sortie de ce matériau, c'est-à-dire l'énergie minimale pour éjecter les électrons, est de 2 eV.

2) Lorsqu'on éclaire une plaque métallique dont le travail de sortie est de 7 eV, on observe l'éjection d'électrons avec des énergies de 4 eV. Déterminer:

a) l'énergie des photons incidents ;

b) la fréquence des photons incidents.

Résolution:

a) Déterminons l'énergie des photons lumineux incidents à travers la fonction de travail :