L’effet photoélectrique

L’effet photoélectrique est l’émission d’électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnementeffet 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

  • Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil
  • Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l’énergie de liaison des électrons qui peuvent être émis
  • 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
  • L’énergie cinétique des électrons émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente
  • Le phénomène d’émission photoélectrique se produit dans un délais extrêmement petit inférieur à 10-9 s après l’éclairage, ce qui rend le phénomène quasi instantané.

Interprétation et explication

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 matériaux.

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.

L’effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace croît rapidement avec le numéro atomique Z où n varie de 4 à 5.

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 ré