Physique-chimie · Terminale

Flux de photons et effet photoélectrique

Éclairer un métal peut en arracher des électrons, mais seulement si la lumière a une fréquence suffisante, quelle que soit son intensité. Ce comportement, inexplicable par le modèle ondulatoire, a été interprété par Einstein en 1905 grâce au photon. Il est à la base des capteurs de lumière et des cellules photovoltaïques.

Une question sur ce cours ?

ULU, le tuteur d’ULUMINE, t’aide à partir de ce cours.

Séance guidée avec ULU (≈ 10 min)Diagnostic, explication, exercices adaptés et bilan.

Objectifs

  • Décrire l’effet photoélectrique et ses caractéristiques
  • Interpréter l’existence d’une fréquence seuil avec le modèle du photon
  • Effectuer un bilan d’énergie : E_{c,max} = hν − W_{extraction}
  • Calculer un flux de photons et le rendement d’une cellule photovoltaïque

1. L’effet photoélectrique

  • Un métal éclairé par une lumière de fréquence ν peut émettre des électrons : c’est l’effet photoélectrique.
  • L’émission n’a lieu que si ν est supérieure à une fréquence seuil ν0, propre au métal, quelle que soit l’intensité lumineuse.
  • Au-dessus du seuil, augmenter l’intensité augmente le nombre d’électrons émis, mais pas leur énergie cinétique maximale.

2. Bilan énergétique

hν = W + Ec,max

W : travail d’extraction ; Ec,max : énergie cinétique maximale de l’électron émis

ν0 = et λ0 =

fréquence seuil et longueur d’onde seuil : émission si ν > ν0, soit λ < λ0

Zinc éclairé en ultraviolet

Travail d’extraction du zinc : environ 4,3 eV. Photon de longueur d’onde 250 nm.

  • E = = ≈ 7,96 × 10−19 J ≈ 4,97 eV.
  • E > W : il y a émission ; Ec,max ≈ 4,97 − 4,3 ≈ 0,7 eV.

3. Flux de photons et cellule photovoltaïque

N =

nombre de photons par seconde transportés par un faisceau monochromatique de puissance P

Une cellule photovoltaïque convertit l’énergie lumineuse en énergie électrique : les photons absorbés par un semi-conducteur libèrent des électrons qui créent un courant. Elle n’absorbe que les photons d’énergie supérieure à un seuil (le gap du semi-conducteur).

η =

rendement de la cellule ; Plumineuse = éclairement (W·m−2) × surface
  • Autres applications de l’interaction photon-matière : photodiode, capteur CCD ou CMOS d’appareil photo, diode électroluminescente (DEL, processus inverse).

À retenir

  • Émission d’électrons seulement si ν > ν0 (indépendamment de l’intensité).
  • Bilan : hν = W + Ec,max.
  • Seuil : ν0 = ; λ0 = .
  • Flux de photons N = ; rendement η = .

Et maintenant, à toi !

Vérifie que tu as compris avec les exercices, puis révise avec la fiche.

Faire les exercicesVoir la fiche

À découvrir aussi