1. Définition

On appelle effet photoélectrique, l’extraction d’électrons d’un métal sous l’action d’un rayonnement électromagnétique.

2. Interprétation de l’effet photoélectrique

  • La cathode est éclairée par une lumière monochromatique dont on peut faire varier l’intensité et la fréquence $v$.
    L’anode portée à un potentiel supérieur à celui de la cathode ($U_{AC} > 0$), capte les électrons qu’expulse le métal de la cathode suite à son éclairement: il en résulte dans le circuit un courant de faible intensité que décèle le microampère-mètre.

  • On constate que : des lumières monochromatiques de fréquence $v$ inférieure à une fréquence $v_0$ aucun courant n’est décelé par le microampère-mètre. Par contre, si la fréquence $v$ de la lumière utilisée est $ > v_0$, on décèle un courant. Il existe une fréquence seuil $v_S = v_0$ en dessous de laquelle l’effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l’intensité de la lumière utilisée.
  • Cette fréquence seuil $v_S$ dépend et caractérise le métal.
    • Longueur d’onde seuil : $\lambda_0 = \dfrac{C}{v_0}$
    • Énergie ou travail d’extraction : $W_0 =$ l’énergie qu’il faut fournir pour extraire un électron du métal avec une vitesse nulle.

3. Caractéristiques du métal : Fréquence seuil – Longueur d’onde seuil – Travail d’extraction

$W_0 = h v_0 = h \dfrac{C}{\lambda_0}$

avec
$h = 6,62. 10^{-34}J.s =$ constante de Planck
$c = 3. 10^8 m/s =$ célérité de la lumière.

4. Conditions d’obtention de l’effet photoélectrique

  • Si $v \ge v_0 \qquad \lambda \le \lambda_0 \qquad W \ge W_0$ il y a émission photoélectrique.
  • Si $v < v_0 \qquad \lambda > \lambda_0 \qquad W < W_0$ il n’y a pas émission photoélectrique.

5. Énergie cinétique et vitesse de l’électron

Énergie cinétique maximale de l’électron extrait :

$E_{C_{max}} = W - W_0 = h(v-v_0) = hC\left(\dfrac{1}{\lambda} - \dfrac{1}{\lambda_0}\right)$

Vitesse maximale de l’électron extrait :

$E_{C_{max}} = \dfrac{1}{2}mv^2_{max} = h(v-v_0) = hC\left(\dfrac{1}{\lambda} - \dfrac{1}{\lambda_0}\right)$

$V_{max} = \sqrt{\dfrac{2h}{m}(v-v_0)} = \sqrt{\dfrac{2hC}{m}\left(\dfrac{1}{\lambda} - \dfrac{1}{\lambda_0}\right)}$

6. Dualité – Onde – Corpuscule

La lumière se présente sous deux aspects:

  • Un aspect ondulatoire : où elle est considérée comme un phénomène vibratoire se propageant par une onde.
  • Un aspect corpusculaire : où elle est formée de corpuscules appelés photons qui sont animés d’une vitesse $c$ (célérité de la lumière) et transportant un quantum d’énergie $h v$.