Comment peut-on extraire un électron d`un métal

Récepteurs photosensibles
I Effet photoélectrique :
1. Expérience :
L’électroscope, surmonté d’une plaque de zinc, est chargé négativement.
La plaque est ensuite éclairée par la lumière émise par une lampe à vapeur
de Hg, lumière riche en UV.
Sous l’action des rayonnements UV, l’électroscope se décharge.
Conclusion :
……………………………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………………………….
2. Expliquer l'effet photoélectrique :
Il faut recourir au modèle corpusculaire de la lumière : un rayonnement électromagnétique de fréquence
 peut
être considéré comme un faisceau de particules : les photons. Chaque photon transporte l'énergie E = h  où h
-34
représente la constante de Planck. (h = 6,62 10 Js)
3. Les propriétés du photon :
8
Sa masse au repos nulle. Sa charge électrique est nulle. Il se déplace dans le vide à la vitesse c = 3 ·10
énergie est : E = havec h = 6,62 10 Js. Or
électromagnétique associée au photon.
-34
4. L'onde électromagnétique :
elle est caractérisée par sa fréquence
P= Nh
m/s. Son
=c/ d'où E = hc/avec  longueur d'onde (en m) de l'onde
 (Hz) et sa puissance P éclairant une surface S.
/ t où N est le nombre de photons frappant la surface pendant l’intervalle de temps t.
5. Seuil photoélectrique :
Un métal est constitué par un réseau cristallin d’ions positifs entre lesquels circulent des électrons liés au réseau
mais libres de se déplacer à l’intérieur du réseau.
Pour extraire un électron, il faut lui fournir une énergie WS, appelée ……………………………………………………. ou …………………..
…………………………………………………….. (WS représente l’énergie de liaison de l’électron au réseau métallique)
Lors de l'interaction photon-électron , trois cas sont envisageables :
1) L'énergie du photon est égale au travail de sortie de l'électron :
L'énergie du photon ……………………………………………………………………………………………... L’électron est donc sortie du
métal mais …………………………………………….
La fréquence du photon est égale à la ……………………………………………………………………………………………
2) L'énergie du photon est inférieure au travail de sortie :
L'électron reste prisonnier du réseau métallique.

3) L'énergie du photon est supérieure au travail de sortie :
Une partie de cette énergie sert à libérer l'électron du réseau métallique ; l'électron emporte l'excédent
sous forme d'énergie cinétique ……………………………………………… .
Exemple : Calculer la fréquence seuil et la longueur d’onde correspondante au travail d’extraction du mercure Hg :
WS = 4,5 eV.
Rappel : 1 eV = 1,6 x 10-19 J.
II Application de l’effet photoélectrique:
Une cellule photoélectrique est une ampoule en quartz vidée d’air afin
d’éviter le choc des électrons émis sur des molécules.
Elle contient deux électrodes :
 une plaque de métal P sensible à la lumière, appelée ……………………….
car elle est source d’électrons;
 un fil métallique F, appelé ……………………………. (de charge positive), destiné
à collecter les électrons émis.
La plaque est éclairée par la lumière blanche émise par une source
lumineuse dont la puissance est réglable.
Un générateur permet d’appliquer entre F et P une tension réglable UFP = VF
– VP. Le courant d’intensité I, détecté par l’ampèremètre, ne peut provenir
que d’une circulation d’électrons émis par la plaque (effet
photoélectrique) et attirés par le fil.
Chaque électron parvenu à l'anode va alimenter un courant, dont
……………………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………………..
Observations expérimentales :
L'intensité du courant créé par effet photoélectrique, pour un
métal donné, est ……………………………………………. à la
…………………………………………. du faisceau lumineux et peut être
favorisée par l'entretien d'une tension UFP positive. On voit
cependant dans la figure ci-contre qu'on atteint un plateau à
partir duquel il est inutile d'accroître encore UFP.
où n est le nombre total d'électrons émis pendant l’intervalle de
temps t et e = 1,6 10-19C, la charge élémentaire.
UO…………………………………………………………………………………………….

Si …………………………………… les électrons sont repoussés mais certains réussissent
quand même à atteindre l’anode.

Si …………………………….. aucun électron n'atteint le fil.
Plus la puissance lumineuse P reçue par la plaque est ………………………………., plus
l'intensité du courant de saturation Isat est ………………………………...
P n'a pas d'influence sur le potentiel d'arrêt U0.
Lois de Lénard :
1 loi : L'effet photoélectrique ne se produit qu'avec un rayonnement de fréquence supérieure ou égale à la
fréquence seuil (caractéristique du métal).
2ème loi : L'intensité du courant de saturation (courant maximal) Is est proportionnelle à la puissance transportée
par le faisceau lumineux incident.
3ème loi : Le potentiel d’arrêt U0 est fonction affine de la fréquence du rayonnement incident.
ère
Exercice : Le travail d’extraction d’un électron de zinc est WS = 3,3 eV.
1. Calculer la fréquence et la longueur d’onde seuil du zinc.
2. On éclaire le zinc par une radiation UV de longueur d’onde  = 0,25 m. Calculer l’énergie cinétique maximale
de sortie des électrons et leur vitesse.
3. On éclaire le zinc par la lumière d’un arc électrique en interposant une plaque de verre qui absorbe les ondes
de longueur d’onde inférieure à 0,42 m. Un effet photoélectrique est-il observé ?
III Autres exemples de récepteurs photosensibles :
1. Le photomultiplicateur :
Une radiation incidente arrache un électron de la
cathode par effet photoélectrique. Cet électron est
alors accéléré vers une seconde électrode appelée
…………………………… portée à un potentiel supérieur.
L'énergie de l'électron incident est suffisante pour
arracher plusieurs autres électrons et ainsi de suite,
d'où l'effet multiplicatif. Pour un électron arraché
sur la cathode on peut récupérer jusqu'à 106 électrons sur l'anode.
2. La photodiode :
Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de
détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en
signal électrique.
Les semi-conducteurs sont des matériaux présentant une conductivité
électrique intermédiaire entre les …………………. et les ……………………………..
Lorsqu'un photon rencontre un semi-conducteur, il peut transférer un
électron de la bande de valence (niveau énergétique bas) vers la bande
de conduction (niveau énergétique haut) en créant une paire électron - trou. Le nombre de paires électrons - trous
est fonction de la quantité de lumière reçue par le semi-conducteur qui peut donc être utilisé en tant que détecteur
optique.
3. La photorésistance :
Ce sont des ……………………………………………. dont la résistance électrique …………………………fortement en fonction de
l'éclairement auxquels ils sont soumis. Lorsque l'éclairement …………………………………, la résistance ……………………….. Le
semi-conducteur choisi est le sulfure de Cadmium (CdS). L'ensemble est enrobé dans un matériau transparent et
étanche, afin d'éviter que l'humidité ambiante n'en perturbe la résistance. Le temps de réponse d'une photo
résistance est assez grand, de sorte qu'elle n'est guère utilisable en commutation pour des fréquences supérieures
à 1 KHz.
Les photodiodes ont une réponse ……………………………… et plus linéaire que les photorésistances, mais leur courant
photoélectrique est ………………………………… ;.
Exercice :
Une cellule photoélectrique possède une photocathode au césium. Elle est éclairée par une radiation
monochromatique de longueur d’onde  = 0,425 m. La puissance captée par la photocathode est P = 1 W. Les
mesures donnent alors : Intensité du courant de saturation Is = 2 mA, potentiel d’arrêt U 0 = 1 V
1. Quelles sont la fréquence et l’énergie des photons incidents ?
2. Quelle est l’énergie cinétique maximale (eU0) de sortie des électrons photoémis ?
3. Quelle est la valeur du travail d’extraction Ws du césium ?
4. Quelles sont la fréquence et la longueur d’onde de seuil ?
5. Quel est le nombre de photons captés par seconde ?
6. Quel est le nombre d’électrons émis par seconde ?