L’effet photoélectrique  : un seuil énergétique précis

1 · Prédire

La lumière de différentes longueurs d'onde frappe un métal avec la fonction de travail 2.3 eV. Tant que les deux longueurs d'onde sont assez courtes pour éjecter des électrons (leur énergie photonique est supérieure à l'énergie de seuil), un photon plus bleu (de longueur d'onde plus courte) éjecte-t-il un électron avec plus d'énergie cinétique ?

2 · Configurer

  1. Ouvrez le préréglage du seuil photoélectrique et appuyez sur Réinitialiser. La fonction de travail de la photocellule est fixée à 2.3 eV.
  2. Activez les lectures d’énergie photonique et d’énergie cinétique maximale.
  3. Réglez la longueur d'onde de la lumière pour chaque essai et enregistrez l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés.

3 · Collecter les données

Longueur d'onde λ (nm)Énergie photonique E_γ (eV)Énergie cinétique maximale K_max (eV)
300.00
350.00
400.00

Tracez K_max (axe y) par rapport à 1/λ (axe x) pour vos trois essais. La ligne est-elle droite ?

4 · Analyser

  1. Pour un essai, calculez E_γ = hc/λ en utilisant h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, c = 2.998×10⁸ m/s, puis K_max = E_γ − φ en utilisant φ = 2.3 eV. Comparez les deux au tableau.
  2. Expliquez pourquoi K_max augmente linéairement avec l'énergie des photons (et donc avec 1/λ) une fois que vous êtes au-dessus du seuil, avec une pente de hc (≈1240 eV·nm quand λ est en nm) et une ordonnée à l'origine de −φ.

5 · Approfondir

  1. La théorie classique des ondes prévoyait que même une lumière faible et basse fréquence devrait finir par éjecter des électrons si vous attendez suffisamment longtemps ou si vous augmentez l’intensité. Expliquez pourquoi le seuil d'énergie précis de l'effet photoélectrique (indépendant de l'intensité) était si surprenant avant l'explication des photons d'Einstein.
  2. Si vous doubliez l'intensité de la lumière à la même longueur d'onde, K_max changerait-il ? Qu’est-ce qui changerait à la place ?

La physique derrière cette expérience

Énergie photonique

L'énergie d'un photon dépend uniquement de sa longueur d'onde (ou fréquence)  : E = hc/λ = hf. Une longueur d’onde plus courte signifie des photons d’énergie plus élevée.

Énergie cinétique photoélectronique maximale

L'équation photoélectrique d'Einstein  : l'énergie d'un photon entrant paie d'abord la fonction de travail (l'énergie qui lie un électron au métal), et tout ce qui reste devient l'énergie cinétique de l'électron éjecté  : K_max = E_γ − φ.

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