L'effet photoélectrique

le effet photoélectrique a posé un défi important à l'étude de l'optique dans la dernière partie des années 1800. Il a contesté la théorie classique des vagues de la lumière, qui était la théorie dominante de l'époque. C'est la solution à ce dilemme de la physique qui a propulsé Einstein au rang de la communauté de la physique, ce qui lui a finalement valu le prix Nobel de 1921..

Quel est l'effet photoélectrique?

Annalen der Physik

Lorsqu'une source de lumière (ou, plus généralement, un rayonnement électromagnétique) est incidente sur une surface métallique, la surface peut émettre des électrons. Les électrons émis de cette façon sont appelés photoélectrons (bien qu'ils ne soient encore que des électrons). Ceci est représenté dans l'image à droite.

Configuration de l'effet photoélectrique

En administrant un potentiel de tension négatif (la boîte noire dans l'image) au collecteur, il faut plus d'énergie aux électrons pour terminer le voyage et initier le courant. Le point auquel aucun électron ne parvient au collecteur est appelé potentiel d'arrêt V_s, et peut être utilisé pour déterminer l'énergie cinétique maximale K_max des électrons (qui ont une charge électronique e) en utilisant l'équation suivante:

K_max = eV_s

L'explication de la vague classique

Fonction Iwork phiPhi

Trois prédictions principales découlent de cette explication classique:

1. L'intensité du rayonnement doit avoir une relation proportionnelle avec l'énergie cinétique maximale résultante.
2. L'effet photoélectrique doit se produire pour n'importe quelle lumière, quelle que soit la fréquence ou la longueur d'onde.
3. Il devrait y avoir un délai de l'ordre de quelques secondes entre le contact du rayonnement avec le métal et la libération initiale des photoélectrons.

Le résultat expérimental

1. L'intensité de la source lumineuse n'a eu aucun effet sur l'énergie cinétique maximale des photoélectrons.
2. En dessous d'une certaine fréquence, l'effet photoélectrique ne se produit pas du tout.
3. Il n'y a pas de retard significatif (moins de 10^-9 s) entre l'activation de la source lumineuse et l'émission des premiers photoélectrons.

Comme vous pouvez le constater, ces trois résultats sont exactement à l'opposé des prédictions de la théorie des vagues. Non seulement cela, mais ils sont tous les trois complètement contre-intuitifs. Pourquoi la lumière à basse fréquence ne déclencherait-elle pas l'effet photoélectrique, car elle transporte toujours de l'énergie? Comment les photoélectrons se libèrent-ils si rapidement? Et, peut-être le plus curieusement, pourquoi l'ajout d'intensité n'entraîne-t-il pas une libération d'électrons plus énergétique? Pourquoi la théorie des vagues échoue-t-elle si complètement dans ce cas alors qu'elle fonctionne si bien dans tant d'autres situations

La merveilleuse année d'Einstein

Albert Einstein Annalen der Physik

S'appuyant sur la théorie du rayonnement du corps noir de Max Planck, Einstein a proposé que l'énergie du rayonnement ne soit pas distribuée en continu sur le front d'onde, mais plutôt localisée en petits faisceaux (appelés plus tard photons). L'énergie du photon serait associée à sa fréquence (ν), grâce à une constante de proportionnalité appelée Constante de Planck (h), ou alternativement, en utilisant la longueur d'onde (λ) et la vitesse de la lumière (c):

E = hν = hc / λ

ou l'équation de l'élan: p = h / λ