Chapitre 17 : Décrire la lumière par un flux de photons

TSPÉ
PHYSIQUE-CHIMIE
Séquence 5 : Ondes et signaux
Chapitre 17 : Décrire la lumière par un flux de photons
Objectif :
« Comprendre comment la lumière peut être décrite comme un flux de photons et expliquer l’effet
photoélectrique ».
Contexte historique
Au début du XXe siècle, les scientifiques hésitent entre deux modèles de la lumière :
• le modèle ondulatoire : la lumière est une onde : Cette hypothèse est validée au XIXe siècle par
l’observation des phénomènes d’interférence, de diffraction ou encore de l’effet Doppler, sur des ondes
lumineuses.
• le modèle corpusculaire : la lumière est composée de particules : Cette dernière hypothèse manquant
d’expériences pour la valider.
La découverte de l’effet photoélectrique a montré que la lumière possède aussi un comportement particulaire.
C’est cette découverte qui permet à Albert Einstein de réconcilier les deux modèles de la lumière (ondulatoire et
corpusculaire) qui divisent les physiciens de l’époque avec la dualité onde-corpuscule de la lumière.
Comment définir l’effet photoélectrique ?
Lorsqu’un métal est éclairé par une lumière adaptée, des électrons peuvent être arrachés
du métal.
Observations importantes
• Une lumière de grande longueur d’onde n’arrache pas d’électron.
• Plus la longueur d’onde est faible, plus les électrons arrachés sont énergétiques.
• Plus l’intensité lumineuse augmente, plus le nombre d’électrons arrachés augmente.
L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un métal exposé à un rayonnement électromagnétique.
Qu’est-ce qu’un photon ?
Le photon est la particule associée aux ondes électromagnétiques dont la lumière fait partie. C’est une particule sans
masse qui se déplace à la célérité     ms dans le vide.
L’énergie d’un photon est donnée par :
avec :
• : énergie du photon (J) ; On peut utiliser une sous unité de l’énergie dans certains exercices : l’électron-volt noté
eV. (1eV = 1,60 × 10−19J).
•      Js: constante de Planck ;
• : fréquence de la lumière (Hz).
La lumière possède à la fois des propriétés d’onde et de particule, il vérifie aussi la relation :
avec :
•     ms;
• : longueur d’onde (m)
Remarque : L’énergie d’un photon croit avec sa fréquence et diminue avec sa longueur d’onde dans le vide.

Quel est le bilan énergétique de l’effet photoélectrique ?
En absorbant un photon, l’électron gagne l’énergie Ephoton qui lui permet de s’extraire du métal avec une énergie
cinétique EC. L’énergie nécessaire pour arracher l’électron est appelée travail d’extraction, noté extraction.
La conservation de l’énergie lors de l’absorption est donnée par :
avec :
• : énergie du photon (J)
•  : dépend du matériau utilisé (J)
• 
    : énergie cinétique (J)
• m = 9,11 x 10 −31 kg : masse d’un électron
Quelles sont les applications de l’effet photoélectrique ?
L’effet photoélectrique est utilisé dans :
• les cellules photovoltaïques ;
• les photodiodes ;
• les capteurs de lumière ;
• les appareils photo numériques.
Exemple : Les cellules photovoltaïques, sont utilisées pour la production d’électricité solaire.
Comment définir le rendement d’une cellule photovoltaïque ?
Une cellule photovoltaïque transforme une partie de l’énergie lumineuse en énergie électrique.
Le rendement est donné par :
Le rendement est une grandeur sans unité. Il s’exprime souvent en pourcentage (%).
Onde ou particule ?
La lumière :
• se propage comme une onde (interférences, etc. …).
• interagit avec la matière comme une particule (effet photoélectrique, etc. …).
La lumière possède donc un double comportement : ondulatoire et corpusculaire.