L'effet photoélectrique

Illustration dans laquelle la lumière entre en collision avec une surface métallique, libérant des électrons.

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La effet photoélectrique posé un défi important à l'étude deoptiquedans la dernière partie des années 1800. Il a défié le théorie classique des ondes de la lumière, qui était la théorie dominante de l'époque. C'est la solution à ce dilemme de la physique qui a propulsé Einstein au premier plan de la communauté des physiciens, lui valant finalement le prix Nobel de 1921.

Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ?

Annales de physique



Lorsqu'une source lumineuse (ou, plus généralement, un rayonnement électromagnétique) tombe sur une surface métallique, la surface peut émettre des électrons. Les électrons émis de cette manière sont appelés photoélectrons (bien qu'ils ne soient encore que des électrons). Ceci est représenté dans l'image à droite.

Configuration de l'effet photoélectrique

En administrant un potentiel de tension négatif (la boîte noire sur l'image) au collecteur, il faut plus d'énergie aux électrons pour terminer le voyage et initier le courant. Le point auquel aucun électron n'arrive au collecteur s'appelle le potentiel d'arrêt Vs , et peut être utilisé pour déterminer l'énergie cinétique maximale Kmaximum des électrons (qui ont une charge électronique et ) en utilisant l'équation suivante :



Kmaximum = eVs

L'explication de la vague classique

Fonction de travail phiPhi

Trois prédictions principales découlent de cette explication classique :

  1. L'intensité du rayonnement doit avoir une relation proportionnelle avec l'énergie cinétique maximale résultante.
  2. L'effet photoélectrique devrait se produire pour n'importe quelle lumière, quelle que soit la fréquence ou la longueur d'onde.
  3. Il devrait y avoir un délai de l'ordre de quelques secondes entre le contact du rayonnement avec le métal et la libération initiale de photoélectrons.

Le résultat expérimental

  1. L'intensité de la source lumineuse n'a eu aucun effet sur l'énergie cinétique maximale des photoélectrons.
  2. En dessous d'une certaine fréquence, l'effet photoélectrique ne se produit pas du tout.
  3. Il n'y a pas de retard significatif (moins de 10-9s) entre l'activation de la source lumineuse et l'émission des premiers photoélectrons.

Comme vous pouvez le constater, ces trois résultats sont l'exact opposé des prédictions de la théorie des vagues. Non seulement cela, mais ils sont tous les trois complètement contre-intuitifs. Pourquoi la lumière à basse fréquence ne déclencherait-elle pas l'effet photoélectrique, puisqu'elle transporte toujours de l'énergie ? Comment les photoélectrons se libèrent-ils si rapidement ? Et, peut-être plus curieusement, pourquoi ajouter plus d'intensité n'entraîne-t-il pas des libérations d'électrons plus énergétiques ? Pourquoi la théorie des vagues échoue-t-elle si complètement dans ce cas alors qu'elle fonctionne si bien dans tant d'autres situations ?

La merveilleuse année d'Einstein

Albert Einstein Annales de physique



Bâtir sur Max Planck c'est rayonnement du corps noir théorie, Einstein a proposé que l'énergie de rayonnement n'est pas distribuée en continu sur le front d'onde, mais est plutôt localisée dans de petits faisceaux (appelés plus tard photons ). L'énergie du photon serait associée à sa fréquence ( n ), à travers une constante de proportionnalité appelée Constante de Planck ( h ), ou alternativement, en utilisant la longueur d'onde ( je ) et la vitesse de la lumière ( c ):

ET = h = hc / je
ou l'équation de quantité de mouvement : p = h / je

nf



Si, cependant, il y a un excès d'énergie, au-delà Phi , dans le photon, l'énergie excédentaire est convertie en énergie cinétique de l'électron :

Kmaximum = h - Phi

L'énergie cinétique maximale se produit lorsque les électrons les moins étroitement liés se libèrent, mais qu'en est-il des électrons les plus étroitement liés ? Ceux dans lesquels il y a juste assez d'énergie dans le photon pour le faire tomber, mais l'énergie cinétique qui en résulte est nulle ? Paramètre Kmaximum égal à zéro pour cela fréquence de coupure ( nc ), on a:



nc = Phi / h
ou la longueur d'onde de coupure : jec = hc / Phi

Après Einstein

Plus important encore, l'effet photoélectrique et la théorie des photons qu'il inspirait ont écrasé la théorie ondulatoire classique de la lumière. Bien que personne ne puisse nier que la lumière se comportait comme une onde, après le premier article d'Einstein, il était indéniable qu'elle était aussi une particule.