Une vraie cellule photoélectrique : le travail d'extraction du sodium
1 · Prédire
Le travail du sodium est 2.28 eV, correspondant à une longueur d'onde seuil autour de 544 nm (lumière jaune-verte). La lumière rouge (autour de 650 nm) éjecterait-elle des photoélectrons du sodium, quelle que soit sa luminosité ?
- Oui, si la lumière est suffisamment vive.
- Cela dépend de la durée pendant laquelle la lumière brille.
- Non : l'énergie des photons de la lumière rouge est inférieure au travail de travail du sodium, donc aucun électron n'est éjecté, quelle que soit l'intensité.
2 · Configurer
- Ouvrez le préréglage de la photocellule sodium et appuyez sur Réinitialiser. La fonction de travail du sodium est 2.28 eV.
- Activez les lectures de l’énergie des photons et de l’état de la photoémission.
- Réglez la longueur d'onde de la lumière pour chaque essai et enregistrez l'énergie cinétique maximale (0 si en dessous du seuil).
3 · Collecter les données
| Longueur d'onde λ (nm) | Énergie photonique E_γ (eV) | Énergie cinétique maximale K_max (eV) |
|---|---|---|
| 450.00 | ||
| 500.00 | ||
| 650.00 |
Tracez K_max (axe y) par rapport à la longueur d'onde λ (axe x) pour vos trois essais. À quelle longueur d'onde K_max atteint-il zéro ?
4 · Analyser
- Pour un essai, calculez E_γ = hc/λ, puis K_max = max(0, E_γ − φ) en utilisant φ = 2.28 eV. Comparez avec le tableau - confirmez que l'essai de longueur d'onde la plus longue donne K_max = 0.
- La longueur d'onde seuil du sodium est λ_threshold = hc/φ ≈ 544 nm. Expliquez pourquoi toute longueur d'onde plus longue que celle-ci (énergie photonique inférieure) ne peut jamais éjecter un électron du sodium, quelle que soit l'intensité de la lumière.
5 · Approfondir
- Différents matériaux photovoltaïques sont choisis pour avoir des fonctions adaptées au spectre solaire. Expliquez pourquoi un matériau ayant un travail de travail trop ÉLEVÉ gaspillerait la majeure partie de la lumière visible du soleil au lieu de la convertir en électricité.
- Cette expérience montre que K_max dépend de la longueur d'onde (couleur) et non de la luminosité. Quelle propriété physique de la lumière change si vous augmentez la luminosité à une longueur d'onde fixe au-dessus du seuil ?
La physique derrière cette expérience
Comportement du seuil
K_max = max(0, E_γ − φ) : en dessous de la fonction de travail, aucun photoélectron n'est émis quelle que soit l'intensité - un seuil précis qu'une image purement classique (onde) de la lumière ne peut pas expliquer.
Physique moderne
- L’effet photoélectrique : un seuil énergétique précis
- L'effet photoélectrique : potentiel d'arrêt
- Diffusion Compton : décalage de longueur d'onde à 90°
- Diffusion Compton : décalage maximal à la rétrodiffusion
- Diffusion Compton : une comparaison à faible angle
- La série Balmer : raies spectrales visibles de l’hydrogène
- La série Lyman : lignes ultraviolettes d'hydrogène
- La série Paschen : lignes d'hydrogène infrarouges
- Désintégration radioactive : datation au carbone 14
- Radio-isotopes médicaux : la courte demi-vie du technétium 99m
- Énergie de liaison nucléaire : le modèle de la goutte de liquide
- Ondes de matière de Broglie : la longueur d'onde d'un électron
138 fiches de laboratoire de physique imprimables et gratuites