2 – CONCEPTS QUANTIQUES 1 exemple : l`effet photoélectrique

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2 – CONCEPTS QUANTIQUES
Ondes et particules à l'échelle atomique
Certaines expériences mettent en échec la conception reposant sur
les notions distinctes d'onde et de particule, et ne peuvent plus être
interprétées dans le cadre de la physique classique.
1er exemple : l'effet photoélectrique
Un rayonnement ultra-violet irradiant une plaque de métal
provoque l'expulsion d'électrons du solide.
 Phénomène mis en évidence par Hertz (1887), puis par Lenard
qui identifie les électrons (1899), et interprété par Einstein (1905).
 On effectue des séries d'expériences avec un montage qui
permet de mesurer le nombre d'électrons éjectés (∝ courant
électrique) et leur énergie cinétique.
tube à vide
rayonnement
monochromatique
fréquence ν
puissance P
photoélectrons
photocathode
t
ension variable
V
(positive ou négative)
mesure du courant i
anode
collectrice

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1ère série d'expériences : lumière de fréquence ν
νν
ν fixée
• On mesure le courant photoélectrique en fonction de la
tension V, pour une puissance lumineuse donnée.
• On trace ces courbes pour différentes puissances
lumineuses incidentes.
• on mesure le nombre d'électrons émis en faisant varier la
tension jusqu'à obtenir le courant de saturation qui permet
de collecter tous les électrons.
• on mesure l'énergie cinétique des électrons émis en faisant
varier la tension jusqu'à la valeur V0 négative qui annule le
courant.
On a alors :
cin
0
EVe
=
⋅
−
Constatations
 L'énergie cinétique des photoélectrons ne dépend pas de la
puissance lumineuse incidente.
 Par contre, le nombre de photoélectrons varie linéairement
avec la puissance lumineuse.
saturation
puissance
lumineuse
croissante
i
V0
V
0
i
max

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2ème série d'expériences
On enregistre une série de courbes courant - tension pour
différentes fréquences du rayonnement.
Constatations
 L'énergie cinétique des photoélectrons varie linéairement avec
la fréquence.
fréquence ν
croissante
i
V 0
V0 diminue
Ecin augmente
imax
Puissance lumineuse
Contradiction
avec un comportement
purement ondulatoire de
la lumière...
La
puissance lumineuse,
proportionnelle à l'énergie
transportée et cédée au
solide,
devrait agir sur
l'énergie cinétique des
électrons émis.

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 La pente de la droite est indépendante de la puissance
lumineuse du rayonnement.
 Pas d'émission en-dessous d'une certaine fréquence-seuil.
3ème série d'expériences
On change la nature du métal émetteur (photocathode).
Constatations
 La pente de la droite est indépendante de la nature du métal.
Elle est égale à la constante de Planck : sJ10626,6 34 ⋅⋅ − =h
 La fréquence νseuil est caractéristique du métal.
Conclusion et interprétation
L'équation de la droite s'écrit sous la forme :
Ecin = h.ν - h.νseuil = h.ν - Eseuil
pente
h
Eseuil
Ecin
0
ν
ν
seuil

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ou encore : h.ν = Ecin + Eseuil
Les électrons liés au métal (énergie potentielle négative), peuvent
être décrits comme des particules dans un "puits de potentiel",
"rempli" par ces électrons jusqu'à un certain niveau.
Pour extraire un électron il faut fournir une énergie au moins égale
à une énergie-seuil caractéristique du métal (appelée aussi
énergie d'extraction ou travail d'extraction).
L'équation hν = Ecin + Eseuil apparaît comme l'expression de la
conservation de l'énergie.
L'énergie d'une lumière de fréquence ν se manifeste sous la
forme hν d'un quantum d'énergie ne pouvant être cédé qu'à
un seul électron.
Le rayonnement se comporte ici comme un corpuscule - le
photon - dont l'énergie quantifiée est :
ν
=
h
E
(où h est la constante de Planck).
L'échange d'énergie entre la matière et le rayonnement s'effectue
par nombres entiers de photons.
Energie
des électrons
0
Ecin
Eseuil
h
ν
Puits de
potentiel