Effet Photoélectrique

1. Historique

Historique

A.STOLETOV en  1872  et HERTZ en 1887 ont  remarqué que lorsqu'on irradie sous vide un métal alcalin avec de la lumière ultraviolette, il y a émission d'électron. Cet effet fut étudié par Lenard (1899) puis par Millikan (1902).

 

2. Dispositif expérimental

A la figure ci- dessous, nous présentons le dispositif expériemental qui permet de tracer la caractéristique I- V de l'effet photoélectrique.

Figure 1: Dispositif expérimental de l'effet photoélectrique

Le galvanomètre G dévie lorsque la cathode C constituée de métal alcalin est éclairée par la lumière UV ou visible.

Propriétés de la caractéristiques I-V

a-Si l'éclairement est suffisant, l'intensité I du courant augmente avec la tension appliquée entre l'anode et la cathode jusqu'à atteindre une valeur limite IS appelée courant de saturation.

Figure 2 : Caractéristique I-V, le flux Φ et la longueur d'onde λ sont constants

I_s: courant de saturation;

V_a: potentiel d'arrêt.

b- La longueur d'onde λ est constante et le flux Φ est variable.

Figure 3 : Caractéristique I-V, le flux Φ est constant et la longueur d'onde λ est  variable

Le flux lumineux influence le courant de saturation et est sans action sur le potentiel d'arrêt.

c-  La longueur d'onde  l est variable  et le flux f est constant.

Figure 4 : Caractéristique I-V, le flux Φest constant et la longueur d'onde λ est  variable.

d- L'effet photoélectrique est instantané, même pour des intensités lumineuses très faibles. Il peut commencer dès le début de l'éclairement pour une cellule photosensible.

e- Il existe une fréquence seuil caractéristique de la nature du matériau de la cathode.

La théorie électromagnétique de Maxwell est inconciliable avec ces expériences. D'après cette théorie :

l'effet ne devrait pas      être instantané. Le temps d'observation devrait être plus long que

• la puissance lumineuse est faible (le retard de la réponse ne peut dépasser 3ns même        pour des flux faibles).
• il ne devrait pas y avoir      de fréquence seuil pour peu que l'énergie absorbée soit suffisante.

Pour solutionner ces deux interrogations, EINSTEIN établit la thèse selon laquelle, le rayonnement lumineux consiste en un jet de corpuscules nommés photons ayant une énergie hν et se déplaçant à la vitesse de la lumière c.

 Le transport d'énergie par grain ou par quanta explique alors les différents faits expérimentaux.

Lorsqu'un photon rencontre un électron du métal, il est entièrement absorbé et l'électron reçoit l'énergie hν.

Une partie de cette quantité d'énergie hν reçue sert à extraire l'électron du métal et l'autre partie est communiquée à l'électron sous forme d'énergie cinétique pour qu'il puisse accéder à l'anode. D'où :

W_s est le travail d’extraction et il est égal à l’énergie de liaison de l’électron dans le métal.

Si ν_S est la fréquence seuil du métal, le travail d’extraction est défini par:

Il y a effet photoélectrique si :

Ce qui veut dire que:

Donc:

ou: