L'effet photoélectrique PDF - Physique Quantique

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Okay, here's the conversion of the image into a structured markdown format ## 24 L'effet photoélectrique Quand on éclaire une plaque de cuivre avec des ultraviolets, cela produit de l'électricité. Cet effet << photoélectrique >> demeura un mystère jusqu'à ce qu'Albert Einstein, inspiré par Max Planck et son utilisation de quanta d'énergie, concocte l'idée d'une particule de lumière, le photon. Einstein montra que la lumière pouvait se comporter à la fois comme un flux de protons et comme une onde. À l'aube du XXe siècle s'ouvrit une ère nouvelle pour la physique. Depuis le XIX, il était bien connu que les ultraviolets pouvaient agir sur les électrons et faire apparaître un courant dans un métal; pour comprendre ce phénomène, les physiciens durent inventer un langage totalement nouveau. **Les bleus** L'effet photoélectrique correspond à l'apparition de courants électriques dans des métaux éclairés par de la lumière bleue ou ultraviolette le phénomène ne se produisant pas avec de la lumière rouge. Même un faisceau très intense de lumière rouge ne peut faire apparaître un courant. Les charges ne se mettent en mouvement que lorsque la fréquence de la lumière dépasse une certaine valeur seuil, qui dépend de la nature du métal. Ce seuil indique qu'il faut accumuler une certaine quantité d'énergie avant de parvenir à mettre les charges en mouvement. Cette énergie doit provenir de la lumière, mais, à la fin du dix-neuvième siècle, le mécanisme qui rendait cela possible n'était pas connu. Les ondes électromagnétiques et les charges en mouvement semblaient être des phénomènes physiques très différents et la manière de les combiner demeurait mystérieuse. **Les photons** En 1905, Albert Einstein eut une idée radicalement nouvelle pour expliquer l'effet photoélectrique. Ce fut ce travail, plutôt que sa théorie de la relativité, qui lui valut le Prix Nobel en 1921. Inspiré par l'utilisation qu'avait faite Planck des quanta pour discrétiser l'énergie d'atomes chauds, Einstein imagina que la lumière ne pouvait elle aussi exister que sous la forme de petits paquets d'énergie. Einstein emprunta directement la définition mathématique des quanta de Planck, à savoir la relation de proportionnalité entre énergie et fréquence faisant intervenir la constante de Planck, mais l'appliqua à la lumière plutôt qu'aux atomes. Les quanta de lumière d'Einstein furent plus tard baptisés photons. Les photons n'ont pas de masse et ils se déplacent à la vitesse de la lumière. Plutôt que d'essayer d'expliquer l'effet photoélectrique par un bain continu d'ondes lumineuses, Einstein suggéra que des photons individuels venaient frapper les électrons du métal et les mettre en mouvement. Chaque photon transportant une quantité donnée d'énergie, proportionnelle à sa propre fréquence, l'énergie de l'électron percuté est elle-même proportionnelle à la fréquence de la lumière. Un photon de lumière rouge (dont la fréquence est basse) ne peut pas transporter suffisamment d'énergie pour déloger un électron, mais un photon de lumière bleue (dont la fréquence est plus élevée) transporte plus d'énergie et le peut. Un photon ultraviolet transporte encore plus d'énergie et peut donc percuter violemment un électron et lui donner une vitesse encore plus grande. Augmenter l'intensité de la lumière ne change rien, cela n'a aucune importance d'avoir plus de photons rouges si chacun est incapable de déloger les électrons. Cela revient à envoyer des balles de ping-pong sur un gros 4 × 4. L'idée d'Einstein de quanta de lumière ne fut d'abord pas très bien accueillie, car elle allait contre la description de la lumière contenue et résumée dans les équations de Maxwell, que la plupart des physiciens vénéraient. Néanmoins, l'atmosphère changea lorsque les expériences révélèrent la justesse de la drôle d'idée qu'Einstein avait eue. Les résultats expérimentaux confirmèrent que l'énergie des électrons libérés était bien proportionnelle à la fréquence de la lumière. **La dualité onde-corpuscule** Non seulement la proposition d'Einstein était polémique, mais en plus elle débouchait sur l'idée on ne peut plus inconfortable que la lumière était à la fois onde et particules. Le comportement de la lumière jusqu'à ce que Maxwell écrivît ses équations avait toujours correspondu à celui d'une onde, diffractée par les obstacles, se réfléchissant, interférant. Mais là, Einstein secouait violemment la barque en montrant que la lumière était également un faisceau de photons. Les physiciens continuent de se débattre avec cette dialectique. Nous savons même aujourd'hui que la lumière se comporte selon l'un ou l'autre mode, en fonction des circonstances. **Citation:** "Sur toute chose on peut faire deux affirmations exactement contraires." - Protagoras, 485-421 av. J.-C. ### Chronologie: * **1839:** Alexandre Becquerel observe l'effet photoélectrique. * **1887:** Hertz mesure les étincelles déclenchées, entre deux plaques de métal, par des rayons ultraviolets. * **1899:** J. J. Thomson confirme que les électrons sont mis en mouvement par la lumière incidente. * **1901:** Planck introduit le concept de quanta d'énergie. * **1905:** Einstein propose une théorie des quanta de lumière. * **1924:** De Broglie suggère que les particules peuvent se comporter comme des ondes. ## Albert Einstein (1879-1955) 1905 fut une annus mirabilis pour un jeune physicien allemand travaillant à temps partiel au Bureau suisse des brevets. Albert Einstein publia trois articles de physique dans le journal allemand *Annalen der Physik*. Ils expliquaient le mouvement brownien, l'effet photoélectrique et la théorie de la relativité restreinte, et chacun constituait une avancée révolutionnaire. La réputation d'Einstein grandit encore jusqu'en 1915, année où la publication de sa théorie de la relativité générale confirma son statut en tant qu'un des plus grands savants de tous les temps. Quatre ans plus tard, des observations faites durant une éclipse de soleil vinrent valider sa théorie de la relativité générale. Et il devint mondialement célèbre. Einstein reçut le Prix Nobel en 1921 pour son travail sur l'effet photoélectrique, qui influença le développement de la mécanique quantique. **Citation:** "La couche superficielle du corps est pénétrée par des quanta dont l'énergie est convertie au moins partiellement en énergie cinétique des électrons. La conception la plus simple est celle d'un transfert totale de l'énergie d'un quantum de lumière à un seul électron." - Albert Einstein, 1905 **Image description**: The image shows a laser beam hitting a piece of metal. The metal then releases electrons. Constances. Si l'on monte une expérience pour mesurer ses propriétés ondulatoires, par exemple en la faisant passer à travers un réseau de diffraction, elle se comporte comme une onde. Si au lieu de cela on essaie de mesurer ses propriétés particulaires, elle est tout aussi prévenante. Les physiciens ont essayé d'imaginer des expériences rusées pour piéger la lumière et révéler, peut-être, sa vraie nature, mais jusqu'ici toutes ont échoué. Beaucoup sont des variantes de l'expérience des fentes d'Young, avec des composants qui peuvent être activés ou désactivés. Imaginez une source lumineuse dont les rayons traversent deux fentes pour atteindre un écran. Lorsque les deux fentes sont ouvertes, on voit les habituelles franges d'interférence. La lumière est donc, comme nous le savons, une onde. Cependant, en atténuant suffisamment la lumière, il arrive un point en dessous duquel les photons passent un par un dans l'appareil, et un détecteur peut enregistrer les flashes correspondant à leur arrivée sur l`écran. Même en procédant ainsi, les photons continuent à former les franges d'interférence. Comment un photon individuel peut-il savoir à travers quelle fente passer pour contribuer à la formation des franges d'interférence ? Si vous êtes très rapide, vous pouvez obturer une des fentes dès que le photon quitte la source lumineuse, ou même après son passage à travers les fentes, mais jamais avant son arrivée sur l'écran. Or, dans tous les cas testés par les physiciens, les photons << savent >> si une ou deux fentes étaient ouvertes lors de leur passage. Et même si seuls des photons individuels traversent, tout se passe comme si chaque photon passait simultanément dans les deux fentes. Placez un détecteur au niveau de l'une des fentes (pour savoir par laquelle le photon est passé). Bizarrement, la figure d'interférence disparaît - il ne reste plus qu'un simple empilement de photons sur l'écran, pas l'ombre d'une frange d'interférence. Ainsi, peu importe que vous essayiez de les coincer, les photons sauront comment se comporter. Et ils se comportent comme des ondes et comme des particules, non comme les unes ou les autres. En 1924, Louis-Victor de Broglie avança l'idée réciproque: des particules de matière peuvent également se comporter comme des ondes. Il proposa d'associer une longueur d'onde à tous les corps, ce qui impliquait que la dualité onde- corpuscule était universelle. Trois ans plus tard, l'association onde-matière se voyait confirmée par l'observation de phénomènes de diffraction et d'interférences avec des électrons. Les physiciens ont depuis vu des particules encore plus grosses se comporter comme des ondes, par exemple des neutrons, des protons et récemment même des molécules, dont de microscopiques balles de football en carbone. Les objets plus gros, des billes par exemple, ont des longueurs d'onde associées minuscules, trop petites pour que nous puissions percevoir les comportements ondulatoires. Une balle de tennis traversant un cour possède une longueur d'onde de $10^{-34}$ mètre, bien plus courte que le diamètre d'un proton ($10^{-15}$ mètre). Comme nous l'avons vu, la lumière est aussi une particule et les électrons sont parfois des ondes; l'effet photoélectrique boucle la boucle. **idee clé: Le bal des photons** **Image description** panel solaires. L'effet photoélectrique est utilisé aujourd'hui dans les panneaux solaires, dans lesquels la lumière met en mouvement des électrons, habilitant dans des semi-conducteurs comme le silicone dans de vrais métaux.