Fiche 30 – Effet photoélectrique
Émission d’électrons – seuil de fréquence – relation de Einstein.
Objectif : comprendre l’émission d’électrons par un métal éclairé, le rôle de la fréquence du photon, la fonction travail et la relation fondamentale d’Einstein.
1. Qu’est-ce que l’effet photoélectrique ?
Lorsqu’un métal est éclairé par une lumière suffisamment énergétique, il peut émettre des électrons : ce sont les photoélectrons.
Ce phénomène montre que la lumière transporte une énergie sous forme de photons.
2. Condition d’émission : fréquence seuil
Pour qu’un électron s’arrache du métal, il faut un photon suffisamment énergétique.
On définit une fréquence seuil ν₀ telle que :
- si ν < ν₀ → aucun électron n’est éjecté ;
- si ν ≥ ν₀ → des électrons sont émis.
La fréquence seuil dépend du métal utilisé.
3. Fonction travail W₀
Énergie minimale nécessaire pour arracher un électron :
- W₀ : fonction travail du métal, en joules ;
- plus W₀ est grande → plus difficile d’arracher un électron.
4. Relation de Einstein pour l’électron émis
Le photon donne une énergie hν à un électron. Une partie sert à l’arracher (W₀), le reste devient énergie cinétique :
- E_c : énergie cinétique maximale de l’électron ;
- si E_c = 0 → le photon a juste l’énergie minimale pour l’arracher.
5. Tension d’arrêt Uₛ
On peut arrêter les électrons en appliquant une tension négative.
où :
- e : charge de l’électron,
- Uₛ : tension d’arrêt.
6. Caractéristiques observées
- Pas d’électrons si ν < ν₀, quelle que soit l’intensité lumineuse.
- E_c augmente avec la fréquence ν.
- Le nombre d’électrons augmente avec l’intensité lumineuse, mais pas leur énergie.
- Effet instantané : pas de retard.
7. Synthèse
- Photon : E = hν.
- Condition d’émission : ν ≥ ν₀.
- Fonction travail : W₀ = hν₀.
- Énergie cinétique : E_c = hν − W₀.
- Tension d’arrêt : E_c = eUₛ.
- Intensité ↑ → plus d’électrons, mais pas plus énergétiques.
- Fréquence ↑ → électrons plus rapides.