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Effet photoélectrique : énergie du photon, des électrons et seuil

Calculez l'énergie cinétique maximale des électrons arrachés, le potentiel d'arrêt et la longueur d'onde seuil d'un métal éclairé par une lumière donnée.

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nm

Valeur hors limites

eV

Valeur hors limites

Résultats

Énergie cinétique maximale des électrons

0,740 eV

Des électrons sont émis

Longueur d'onde seuil (la plus longue qui arrache des électrons)

525,4 nm

Énergie du photon
3,100 eV
Potentiel d'arrêt
0,740 V
Fréquence seuil
570,6 THz
Vitesse maximale des électrons
510 km/s

La lumière qui arrache des électrons

En 1887, Heinrich Hertz remarque que la lumière ultraviolette facilite le jaillissement des étincelles ; peu après, Wilhelm Hallwachs montre qu’une plaque de zinc chargée négativement se décharge sous UV. La lumière libère des électrons du métal. L’énigme : l’énergie de ces électrons ne dépend pas de l’intensité de la lumière, seulement de sa couleur.

En 1905, Albert Einstein donne l’explication : la lumière est faite de quanta, les photons, qui portent chacun une énergie E = h × ν. Un électron absorbe un photon et ne s’échappe que si ce photon apporte plus que le travail de sortie W₀, l’énergie qui retient les électrons à la surface. Le reste devient l’énergie cinétique de l’électron :

Ec max = h × ν − W₀

C’est la relation d’Einstein étudiée en terminale et en licence de physique.

Le fonctionnement du calculateur

Vous saisissez la longueur d’onde de la lumière et choisissez un métal (ou entrez votre propre travail de sortie). Le calculateur donne :

  • l’énergie du photon, E = 1 239,84 ÷ λ (en eV, avec λ en nm)
  • l’énergie cinétique maximale des électrons, E − W₀
  • le potentiel d’arrêt, égal à Ec max exprimée en volts
  • la longueur d’onde seuil λ₀ = 1 239,84 ÷ W₀ et la fréquence seuil
  • la vitesse maximale des électrons

Exemple

Une lumière violette de 400 nm éclaire du sodium (W₀ ≈ 2,36 eV) :

Résultat Valeur
Énergie du photon 3,100 eV
Énergie cinétique maximale 0,740 eV
Potentiel d’arrêt 0,740 V
Longueur d’onde seuil 525,4 nm
Fréquence seuil 570,6 THz
Vitesse maximale des électrons environ 510 km/s

Toute lumière de longueur d’onde supérieure à 525 nm, jaune ou rouge par exemple, ne peut pas arracher d’électrons au sodium, quelle que soit son intensité.

D’autres métaux à 400 nm

Métal Travail de sortie Seuil Électrons à 400 nm ?
Césium 2,14 eV 579 nm Oui, jusqu’à 0,96 eV
Potassium 2,29 eV 541 nm Oui, jusqu’à 0,81 eV
Calcium 2,87 eV 432 nm Oui, jusqu’à 0,23 eV
Zinc 4,33 eV 286 nm Non : il faut de l’ultraviolet
Cuivre environ 4,7 eV 264 nm Non : il faut de l’ultraviolet

C’est pourquoi Hallwachs avait besoin d’UV pour le zinc : à 254 nm, la raie principale d’une lampe à mercure, les photons portent 4,88 eV, assez pour libérer des électrons jusqu’à 0,55 eV.

Applications

Les photomultiplicateurs et les intensificateurs de lumière utilisent des surfaces au césium, de faible travail de sortie, pour détecter des photons uniques. La spectroscopie de photoélectrons mesure l’énergie des électrons pour identifier les éléments et les liaisons chimiques. Les cellules photovoltaïques reposent sur un phénomène voisin, l’effet photoélectrique interne, où les électrons sont libérés à l’intérieur d’un semi-conducteur.

Le travail de sortie dépend de la face cristalline, de la propreté et de l’oxydation de la surface : les valeurs publiées varient de quelques dixièmes d’électronvolt selon les sources.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ?

Éclairé par une lumière suffisamment énergétique, un métal émet des électrons. Einstein l'a expliqué en 1905 : la lumière est faite de photons d'énergie E = hν, et un électron ne s'échappe que si un photon apporte plus d'énergie que le travail de sortie du métal.

Pourquoi une lumière plus intense ne donne-t-elle pas des électrons plus rapides ?

L'intensité change le nombre de photons, pas l'énergie de chacun. Plus de photons arrachent plus d'électrons, mais l'énergie maximale de chaque électron ne dépend que de la fréquence de la lumière. C'est ce travail qui a valu à Einstein le prix Nobel 1921.

Qu'est-ce que la longueur d'onde seuil ?

C'est la plus grande longueur d'onde capable d'arracher des électrons : λ₀ = hc ÷ W₀. Pour le sodium, dont le travail de sortie vaut environ 2,36 eV, elle est d'environ 525 nm : la lumière verte convient, la rouge non.

Qu'est-ce que le potentiel d'arrêt ?

C'est la tension inverse qui arrête même les électrons les plus rapides. En volts, elle est égale à l'énergie cinétique maximale exprimée en électronvolts : des électrons de 0,74 eV sont arrêtés par 0,74 V.

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Résultats indicatifs fournis à titre d'information. Ils ne remplacent pas l'avis d'un professionnel.