Effet photoélectrique
Éclairez une surface métallique et, dans les bonnes conditions, elle projettera des électrons — un résultat obstinément étrange lorsque la physique classique a tenté de l'expliquer. La théorie ondulatoire du dix-neuvième siècle prédisait qu'une lumière plus faible devrait quand même éjecter des électrons, simplement plus lentement, à condition de disposer d'assez de temps pour accumuler l'énergie. Les expériences réelles ont montré l'inverse : en dessous d'une fréquence de seuil précise, aucune intensité ni aucune attente ne produit un seul électron, tandis qu'au-dessus de cette fréquence, même la lumière la plus faible éjecte des électrons instantanément. L'explication d'Einstein en 1905 — selon laquelle la lumière elle-même arrive sous forme de paquets discrets d'énergie, appelés plus tard photons — a résolu l'énigme et est devenue l'un des résultats fondateurs de la mécanique quantique, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921.
La lumière ne frappe pas un métal comme une onde lisse : elle arrive en petits paquets appelés photons, chacun portant une quantité d'énergie fixe. Un électron ne s'échappe que si l'énergie d'un seul photon est au moins aussi grande que le travail de sortie du métal, l'énergie qui retient normalement l'électron en place. L'énergie restante devient l'énergie cinétique de l'électron qui s'envole.
La formule
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — énergie cinétique maximale (eV): la plus grande énergie emportée par un électron arraché
- h — constante de Planck (eV·s): toute petite constante reliant la fréquence d'un photon à son énergie
- f — fréquence (Hz): combien d'ondes lumineuses arrivent chaque seconde
- φ — travail de sortie (eV): l'énergie minimale nécessaire pour arracher un électron du métal
Exemple résolu
Un photon frappant une surface de sodium porte 3.1 eV d'énergie. Le travail de sortie du sodium est 2.1 eV. Quelle est l'énergie cinétique maximale d'un électron arraché ?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Testez-vous
Maintenant la source est remplacée par une source de fréquence plus élevée, fournissant des photons de 3.6 eV à la même surface de sodium (travail de sortie toujours 2.1 eV). Quelle est la nouvelle énergie cinétique maximale ?
- 5.7 eV
- Bonne réponse: 1.5 eV
- 1.0 eV
Oui ! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Supposons que l'énergie du photon hf soit plus petite que le travail de sortie φ du métal. Que se passe-t-il ?
- L'électron est arraché mais plus lentement
- L'électron est arraché avec une énergie cinétique négative
- Bonne réponse: Aucun électron ne s'échappe du tout
Correct — en dessous du travail de sortie, un seul photon ne peut pas fournir assez d'énergie, donc aucun électron ne s'échappe, peu importe l'intensité de la lumière.
Où vous le voyez
Un panneau solaire sur un toit, c'est cet effet qui travaille pour vivre : les photons de la lumière du soleil frappent le silicium, chacun d'eux arrachant au plus un électron, et ces électrons libérés s'écoulent sous forme de courant. Les lampadaires qui détectent le crépuscule et les anciennes portes à cellule photoélectrique fonctionnent sur le même échange : un photon par électron.
Erreurs courantes
L'erreur classique : croire qu'une lumière plus intense éjecterait les électrons plus fort — l'intensité ne produit que PLUS d'électrons ; l'énergie de chacun dépend uniquement de la fréquence du photon, à travers KEₘₐₓ = h · f − φ. Et en dessous du seuil, rien ne se passe, quelle que soit la luminosité du faisceau : l'énergie cinétique ne peut pas être négative, donc si hf est inférieur au travail de sortie φ, aucun électron ne s'échappe du tout. Au-dessus du seuil, on soustrait : des photons de 3.6 eV sur le sodium (φ = 2.1 eV) éjectent des électrons avec 1.5 eV.
Comment cela s'articule
C'est la première fissure dans la physique classique — la lumière se comportant en particules — et la porte de tout le module de physique moderne : la diffusion Compton, juste après, montre que ces photons portent une quantité de mouvement comme des boules de billard, et la dualité onde-particule qui se termine en ondes de matière commence exactement ici.