L'effet photoélectrique

E = hf - Φ

L'effet photoélectrique est le phénomène physique par lequel les électrons sont éjectés d'un matériau lorsqu'il est exposé à une lumière de fréquence suffisamment élevée. Ce phénomène connu depuis plus d'un siècle a été l'objet de nombreux débats parmi les scientifiques. Ils étaient divisés sur la nature même de la lumière. Etait-elle une onde ou une particule ?

Cela commence en 1887. Le physicien allemand Heinrich Rudolph Hertz (1857-1894), célèbre pour la découverte des ondes électromagnétiques, découvre l'effet photoélectrique dans une expérience assez simple.

Deux plaques métalliques sont placées dans le vide. On applique à ces plaques une différence de potentiel. Le courant qui circule dans le système est mesuré. Comme les plaques métalliques sont placées dans le vide, les électrons n'ont pas de support pour passer d'une électrode à l'autre, et donc aucun courant ne peut circuler dans le système.

Hertz illumine une des plaques avec de la lumière rouge et rien ne se passe. Il éclaire alors la plaque avec de la lumière bleue et s'aperçoit qu'un courant commence à circuler.

La lumière, en frappant la surface du métal, lui arrache des électrons, ce qui correspond à l'apparition d'électricité puisque les électrons sont chargés électriquement. Mais cette explication ne suffit pas.

En 1900 un autre physicien allemand Max Planck (1858-1947) étudie le rayonnement du corps noir et propose une théorie de l'émission de la lumière. La lumière correspond à l'activité de corpuscules microscopiques en vibration, dont l'énergie émise E est proportionnelle à la fréquence de vibration (E = hν). Il nomme cette quantité élémentaire de lumière "quanta".

C'est Albert Einstein (1879-1955) qui va apporté une contribution majeure à la compréhension de l'effet photoélectrique. Il va mélanger tous les résultats expérimentaux de Hertz, Halbwachs, Elster, Geitel et Lenard avec les hypothèses théoriques de Planck. Il propose une théorie selon laquelle la lumière est composée de particules individuelles, appelées photons. Il postule que ces photons ont une énergie quantifiée qui est directement proportionnelle à leur fréquence. Cette hypothèse a permis d'expliquer la relation entre la fréquence de la lumière et l'énergie des électrons émis par un matériau lorsqu'il est exposé à une lumière de haute énergie.

L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique relie l'énergie cinétique des électrons émis à l'énergie des photons de la lumière incidente.

Elle est donnée par E = hf - Φ, où E est l'énergie cinétique de l'électron émis, h est la constante de Planck, f est la fréquence de la lumière incidente et Φ est la fonction travail du matériau.

La constante de Planck, notée h, est une constante physique fondamentale qui est utilisée pour calculer l'énergie des photons. Elle a une valeur d'environ 6,626 x 10^-34 joules seconde (J.s). La fréquence de la lumière incidente, notée f, est le nombre de cycles complets de la lumière par seconde et est mesurée en hertz (Hz).

La fonction travail du matériau, notée Φ, est l'énergie minimale nécessaire pour éjecter un électron du matériau. Elle dépend des propriétés du matériau lui-même, comme la nature de ses liaisons chimiques, sa structure cristalline et sa composition. La fonction travail est une mesure de la facilité avec laquelle les électrons peuvent être éjectés d'un matériau. Plus elle est grande, plus il est difficile d'éjecter des électrons du matériau.

L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique montre que l'énergie cinétique des électrons émis est directement proportionnelle à l'énergie des photons de la lumière incidente moins la fonction travail du matériau. Cela signifie que si la fréquence de la lumière incidente est trop basse, l'énergie des photons sera insuffisante pour éjecter des électrons du matériau, même s'ils sont libres de se déplacer. Pour que l'effet photoélectrique se produise, la fréquence de la lumière incidente doit dépasser une valeur seuil déterminée par la fonction travail du matériau.

L'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique a des implications importantes pour la compréhension de la nature de la lumière et de la matière ainsi que dans de nombreux domaines de la science et de la technologie, notamment en physique des matériaux, en énergie solaire, en imagerie médicale.

Image : 10^-14 mètre ou 10 fermi, c'est la taille du noyau d'un atome. Vers la fin du XIXe siècle, on découvre que l'atome n'est pas un élément de matière indivisible.
E = hf - Φ, où E est l'énergie cinétique de l'électron émis, h est la constante de Planck, f est la fréquence de la lumière incidente et Φ est la fonction travail du matériau qui dépend des propriétés du matériau.
Le prix Nobel de physique a été attribué à Einstein en 1921 pour cette explication de l'effet photoélectrique.