L’effet photoélectrique et la nature particulaire de la lumière
En 1905, Albert Einstein (1879-1955) a proposé de décrire la lumière comme des quanta d’énergie qui se comportent comme des particules. Un photon est une particule de rayonnement électromagnétique dont la masse est nulle et qui transporte un quantum d’énergie. L’énergie des photons de lumière est quantifiée selon l’équation \(E = h \nu\). Pendant de nombreuses années, la lumière a été décrite uniquement à l’aide de concepts ondulatoires, et les scientifiques formés à la physique classique ont trouvé que cette dualité onde-particule de la lumière était une idée difficile à accepter. Un concept clé qui a été expliqué par Einstein en utilisant la nature particulaire de la lumière était appelé l’effet photoélectrique.
L’effet photoélectrique est un phénomène qui se produit lorsque la lumière projetée sur une surface métallique provoque l’éjection d’électrons de ce métal. On a observé que seules certaines fréquences de la lumière sont capables de provoquer l’éjection d’électrons. Si la fréquence de la lumière incidente était trop basse (lumière rouge, par exemple), aucun électron n’était éjecté, même si l’intensité de la lumière était très élevée ou si elle était projetée sur la surface pendant longtemps. Si la fréquence de la lumière était plus élevée (lumière verte, par exemple), les électrons pouvaient être éjectés de la surface métallique, même si l’intensité de la lumière était très faible ou si elle n’était projetée que pendant une courte période. Cette fréquence minimale nécessaire pour provoquer l’éjection des électrons est appelée fréquence seuil.
La physique classique était incapable d’expliquer l’effet photoélectrique. Si la physique classique était appliquée à cette situation, l’électron dans le métal pourrait éventuellement collecter suffisamment d’énergie pour être éjecté de la surface, même si la lumière entrante était de basse fréquence. Einstein a utilisé la théorie particulaire de la lumière pour expliquer l’effet photoélectrique comme le montre la figure ci-dessous.
La lumière de basse fréquence (rouge) est incapable de provoquer l’éjection des électrons de la surface du métal. À une fréquence égale ou supérieure à la fréquence seuil (vert), les électrons sont éjectés. Une lumière entrante de fréquence encore plus élevée (bleu) provoque l’éjection du même nombre d’électrons, mais avec une plus grande vitesse.
Considérez l’équation \(E = h \nu\). La \(E\) est l’énergie minimale requise pour que l’électron du métal soit éjecté. Si la fréquence de la lumière entrante, \(\nu\), est inférieure à la fréquence seuil, il n’y aura jamais assez d’énergie pour provoquer l’éjection des électrons. Si la fréquence est égale ou supérieure à la fréquence seuil, les électrons seront éjectés. Lorsque la fréquence augmente au-delà du seuil, les électrons éjectés se déplacent simplement plus rapidement. Une augmentation de l’intensité de la lumière entrante supérieure à la fréquence seuil entraîne une augmentation du nombre d’électrons éjectés, mais ceux-ci ne se déplacent pas plus vite. L’effet photoélectrique est appliqué dans des dispositifs appelés cellules photoélectriques, que l’on trouve couramment dans des objets du quotidien (comme une calculatrice) qui utilisent l’énergie de la lumière pour produire de l’électricité.
Les cellules photoélectriques convertissent l’énergie lumineuse en énergie électrique, qui alimente cette calculatrice.