Effet photoélectrique

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Un schéma montrant l'émission d'électrons depuis une plaque métallique. L'émission de chaque électron (ligne bleue) requiert une quantité minimale d'énergie, laquelle est apportée par un photon (ligne rouge).

En physique, l'effet photoélectrique (EPE) désigne en premier lieu l'émission d'électrons par un matériau soumis à l'action de la lumière. Par extension, il regroupe parfois l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distinguera alors deux effets : des électrons sont éjectés du matériau (émission photoélectrique) et une modification de la conductivité du matériau (photoconductivité, effet photovoltaïque lorsqu'il est en œuvre au sein d'une cellule photovoltaïque, effet photoélectrochimique, effet photorésistif).

Lorsque l'EPE se manifeste, toute l'énergie du photon incident se transmet à l'électron périphérique. Une quantité d'énergie minimale est nécessaire pour extraire l'électron de l'atome, l'énergie excédentaire est transmise à l'électron sous forme d'énergie cinétique. Une absorption partielle est caractérisée par la diffusion Compton.

Histoire[modifier | modifier le code]

En 1839, Antoine Becquerel et son fils présentent pour la première fois un effet photoélectrique. Leur expérience permet d'observer le comportement électrique d'électrodes immergées dans un liquide, modifié par un éclairage.

Il a été compris et présenté en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz qui en publia les résultats dans la revue scientifique Annalen der Physik[1].

Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantum d'énergie initialement introduits par Max Planck dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pour l'émission du corps noir. Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobel de physique en 1921[2].

Définition[modifier | modifier le code]

L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau.

Dans l'effet photoélectrique, on éclaire une plaque de métal et celle-ci émet des électrons.

Constatations expérimentales de l'émission photoélectrique[modifier | modifier le code]

  1. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil.
  2. Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l'énergie de liaison des électrons qui peuvent être émis.
  3. Le nombre d'électrons émis lors de l'exposition à la lumière, qui détermine l'intensité du courant électrique, est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse.
  4. L'énergie cinétique des électrons émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente.
  5. Le phénomène d'émission photoélectrique se produit dans un délai extrêmement petit inférieur à 10-9 s après l'éclairage, ce qui rend le phénomène quasi instantané.

Interprétation et explication[modifier | modifier le code]

Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfaisante lorsque l'on considère que la lumière est une onde, la théorie acceptée à l'époque, qui permet d'expliquer la plupart des phénomènes dans lesquels la lumière intervient, tel l'optique, et qui était traduite mathématiquement par la théorie de James Clerk Maxwell.

En effet, si l'on considère la lumière comme une onde, en augmentant son intensité et en attendant suffisamment longtemps, on devrait pouvoir fournir suffisamment d'énergie au matériau pour en libérer les électrons. L'expérience montre que l'intensité lumineuse n'est pas le seul paramètre, et que le transfert d'énergie provoquant la libération des électrons ne peut se faire qu'à partir d'une certaine fréquence.

L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau

L'interprétation d’Einstein, l'absorption d'un photon, permettait d'expliquer parfaitement toutes les caractéristiques de ce phénomène. Les photons de la source lumineuse possèdent une énergie caractéristique déterminée par la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci est suffisante, l'électron est éjecté; sinon l'électron ne peut s'échapper du matériau. Comme augmenter l'intensité de la source lumineuse ne change pas l'énergie des photons mais seulement leur nombre, on comprend aisément que l'énergie des électrons émis par le matériau ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse.

Après l'absorption du photon par l'atome, le photoélectron émis a une énergie

E_e=E_g-E_b

E_b est l'énergie de liaison du photoélectron.

L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace croît rapidement avec le numéro atomique Z :

\sigma _{PE}=\frac{Z^n}{{E_g}^{3.5}}

n varie de 4 à 5.

À des énergies et des numéros atomiques où ce processus est important, l'électron émis est absorbé sur une distance très courte de telle manière que toute son énergie est enregistrée dans le détecteur. Les rayons X qui sont émis dans la réorganisation du cortège électronique à la suite de l'émission de l'électron sont également absorbés dans le milieu.

Dans la littérature, "Radiation Oncology Physics:A Handbook for Teachers and Students. E.B. Podgorsak", il est également possible de trouver cette équation :

\sigma _{PE}=\frac{Z^4}{{E_g}^{3}}

Équation[modifier | modifier le code]

L'énergie d'un photon est caractérisée par la formule E = h . ν, hypothèse posée par Planck. "E" correspond à l'énergie du photon, ν (lettre grecque nu) à la fréquence et h est la constante de Planck qui vaut 6,626076×10-34 J.s. On constate que l'énergie du photon est proportionnelle à la fréquence et varie donc en fonction de la couleur[3].

Discussion[modifier | modifier le code]

La démonstration d'Einstein est fondée sur l'hypothèse d'électrons liés à des atomes indépendants à l'intérieur d'un métal. On sait maintenant que les électrons forment un plasmon à la fréquence de l'onde électromagnétique. Le problème est donc complexe.

Applications[modifier | modifier le code]

- Effet photoélectrique externe : un tube photomultiplicateur (PMT en anglais) est une application directe de cet effet. L'électron créé par le rayonnement incident est ensuite multiplié grâce à un système de dynodes, à tension progressive.

- Effet photoélectrique interne : il se déroule dans un semiconducteur. C'est l'excitation d'un électron dans la bande de conduction qui donne en général lieu à un courant. Celui-ci peut être mesuré pour servir de détecteurs (photodiode, cellule photoélectrique) ou récolté pour fournir de l'électricité (cellule photovoltaïque).

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. H. Hertz, Annalen der Physik, 33, 1887, p. 983
  2. Pour « ses services à la physique théorique, et spécialement pour sa découverte de la loi de l'effet photoélectrique » (voir (en) Personnel de rédaction, « The Nobel Prize in Physics 1921 », Fondation Nobel,‎ 2010 (consulté le 15 juin 2010) : « for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect »)
  3. Musée historique de Berne

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]