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Cours de PHYSIQUE ATOMIQUE (Effet photoélectrique) FILERE Master Pro ERSE Pr A.

Cours de PHYSIQUE ATOMIQUE (Effet photoélectrique) FILERE Master Pro ERSE Pr A. BOULEZHAR Année universitaire 2020/2021 UNIVERSITÉ HASSAN II DE CASABLANCA --------- Faculté des Sciences Aïn Chock جامعة الحسن الثاني بالدار البيض اء ------- كلية العلوم عين الشق Physique Atomique Rappel sur les ondes électromagnétiques EFFET PHOTOÉLECTRIQUE Introduction On appelle effet photoélectrique l’émission d’électron de la surface d’un métal sous l’action d’une lumière ultra violette ou visible. Les électrons émis s’appellent des photoélectrons. L’effet photoélectrique a été découvert expérimentalement par Hertz en 1887 sur du Zinc. Ensuite, Il a été étudié systématiquement par Lenard. La physique classique (électromagnétisme) avait échoué dans son explication. Il fût interprété correctement par Einstein en 1905 moyennant l’idée de la quantification de la lumière en termes de photons (lumière aussi « atomisée » en petits morceaux assimilables à des particules). Description expérimentale : a) Montage expérimental L’irradiation par de la lumière UV d’un métal non chargé initialement provoque l’écartement des deux lames ; ceci ne peut être expliqué que par l’extraction de charges électriques hors du métal par de la lumière en vertu de la conservation de la charge totale. Les charges ainsi émises sont des électrons. Mesures et observations Variations de la caractéristique I(V) : L’étude quantitative de cet effet conduit aux observations suivantes : 1) La caractéristique courant-tension I(V) démarre linéairement pour une tension V o négative. L’intensité sature à une valeur Isat pour les grandes valeurs de la ddp appliquée. La valeur de Isat est proportionnelle à l’intensité lumineuse. En revanche, la contre - tension V o ne dépend pas de cette dernière. 2) L’effet photoélectrique n’est observé qu’à partir d’une fréquence n minimale de la lumière agissante, appelée fréquence seuil. N.B : chaque matériau possède une fréquence seuil. 3) La contre - tension varie linéairement avec la fréquence. Plus précisément, -V o est une fonction linéaire croissante de (n – ns), qui s’annule en n = ns : /V o/ = k(n – ns). 4) On observe que la pente de la droite ne dépend pas des conditions de l’expérience en particulier du matériau de la photocathode. Chaque matériau se caractérise par un potentiel d’extraction Ws (sortie) différent. Interprétation : a) Avant d’interpréter l’effet, il convient de préciser la situation d’un électron dans un métal. Très nombreux ces électrons (dits de conduction) forment une sorte de fluide appelé gaz de Fermi. Construire un métal avec ces électrons c’est donc « empiler » ces derniers dans différents états constituant la mer de Fermi. La surface de la mer est située à une énergie appelée énergie de Fermi notée eF. On appelle travail de sortie Ws, l’énergie minimale à fournir pour extraire un électron du métal ; en énergie c’est donc la distance entre le niveau de Fermi et l’énergie d’un électron extrait du métal sans vitesse initiale (dite énergie du vide). b) Interprétation par Einstein (1905) 1) Les photons agissent indépendamment les uns des autres, chacun véhiculant une quantité d’énergie e = hn; h étant la constante de Planck. 2) Pour arracher un électron à la photocathode il faut que l’énergie du photon hn soit à Ws = hns. Ws : « travail d’extraction » du métal de la photocathode ; Ws = eVs (potentiel seuil). 3) Lorsque la fréquence du photon n est supérieure à la fréquence seuil ns (Vs). Le bilan d’énergie dans l’effet photoélectrique s’écrit : où m est la masse de l’électron. De ceci on déduit la forme historique : qui constitue l’équation d’Einstein pour l’effet photoélectrique. * hn est l'énergie incidente. * ½ mv2 est l’énergie cinétique initiale des photoélectrons. Alors si n < à Ws/h, hn = Ws + ½ mv2 n’a pas de solution puisque l’énergie cinétique est forcément positive. On peut ainsi identifier la fréquence seuil observée : ns = Ws/h. 4) Einstein donne aussi une explication à la contre tension V o négative. En effet, pour une fréquence donnée supérieure à ns, ½ mv2 des électrons est non nulle ; ceux qui viennent à la surface de la mer de Fermi ont précisément une vitesse telle que : Avec cette vitesse de départ, ils peuvent remonter une ddp antagoniste telle que /e/ ddp = ½ mv2 ; il en résulte : Vérification expérimentale de l’équation d’Einstein sur l’effet photoélectrique : - Tests expérimentaux effectués par Millikan entre 1905-1916 sur différents métaux. 1er test - Obtenir la valeur de la cote h de Planck à partir de la pente de la droite V0 = f(n). - Comparaison avec la valeur déduite à partir du rayonnement du corps noir. Résultat : très bon accord 2ème test - Obtenir les valeurs des potentiels d’extraction de ces métaux. - Comparaison avec les valeurs déduites de l’effet d’émission thermoïonique (chimie). Conclusion : l’équation d’Einstein sur l’effet photoélectrique est irréfutable. ls : longueur d’onde seuil de l’effet photoélectrique On en déduit ns à partir de ls Rappel: uploads/Sante/ effet-photoelectrique.pdf