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Effet photoélectrique

L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont éjectés du matériau (émission photoélectrique), et une augmentation de la conductivité du matériau (Photoconductivité, effet photovoltaïque)[1].

Dans l'effet photoélectrique (EPE), toute l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique....) incident se transmet à l'électron périphérique sous forme d'énergie cinétique. Une absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...) partielle est caractérisée par la diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus...).

Historique

Il a été découvert en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une...) qui en publia les résultats dans la revue scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les...) Annalen der Physik[2].

Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le 18 avril 1955 à Princeton, New Jersey) est un physicien qui fut successivement allemand, puis apatride (1896), suisse (1901), et...) fut le premier à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière ou quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure indivisible,...), appelé aujourd'hui photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...), initialement introduit par Max Planck dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pour l'émission du corps noir (En physique, un corps noir désigne un objet idéal dont le spectre électromagnétique ne dépend que de sa température. En pratique, un tel objet...).

Albert Einstein a expliqué qu'il était provoqué par l'absorption de photons, les quantum de lumière, lors de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action...) du matériau avec la lumière.

Définition

L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) 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. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée (la fréquence limite dépend du matériau), alors que leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».), qui détermine l'intensité du courant, est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse.

Cet effet ne peut être expliqué de manière satisfaisante lorsque l'on considère que la lumière est une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une onde...), la théorie acceptée à l'époque, qui permet d'expliquer la plupart des phénomènes dans lesquels la lumière intervient, tel l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), 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, 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 électron du matériau
L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électron du matériau

L'interprétation de 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.

Après l'absorption du photon par l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...), le photoélectron émis à une énergie Ee= Eg - Eb où Eb est l'énergie de liaison du photoélectron.

L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique...) croît rapidement avec le numéro atomique Z :

σPE = Zn/Eg3,5 où n varie de 4 à 5.

A 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 réorganisation du cortège électronique suite à l'émission de l'électron sont également absorbés dans le milieu.

Applications

Les panneaux solaires et les cellules photovoltaïques utilisent l'effet photoélectrique pour générer directement de l'énergie électrique à partir de la lumière du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une...). Cette énergie sert également aux navettes spatiales pour leur fournir une pile au silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.).

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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