Effet photoélectrique - Définition et Explications

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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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) (Photoconductivité, effet photovoltaïque)[1].

Dans l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau...) (EPE), toute l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) incident se transmet à l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) périphérique sous forme d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...). Une absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) partielle est caractérisée par la diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion inélastique d'un photon sur un...).

Historique

Il a été découvert en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...) 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...) Annalen der Physik[2].

Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) fut le premier à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) ou quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...), appelé aujourd'hui photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), initialement introduit par Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) 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...).

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...) du matériau avec la lumière.

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...)

L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique (Un rayonnement électromagnétique désigne une perturbation des champs électrique...) de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) suffisamment élevée, qui dépend du matériau.

Dans l'effet photoélectrique, on éclaire une plaque de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) 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...), 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...), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) 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...), et qui était traduite mathématiquement par la théorie de James Clerk Maxwell (James Clerk Maxwell (13 juin 1831 à Édimbourg, en Écosse -...).

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 (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte...), 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...), 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...) croît rapidement avec le numéro atomique (Le numéro atomique (Z) est le terme employé en chimie et en physique pour représenter le nombre...) 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 (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...). 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 (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) à partir de la lumière du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). 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...).

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