Lumière et photon : Effet photoélectrique et travail d’extraction

Introduction

La lumière possède une nature duale, se comportant comme une onde ou une particule. Le phénomène de l’effet photoélectrique illustre cette dualité, en montrant que la lumière peut provoquer l’émission d’électrons dans un matériau.

Effet photoélectrique

Définition

C’est l’émission d’électrons par une matière sous l’action de la lumière incidente de fréquence suffisante.

Principe

Lorsqu’un photon lumineux frappe la surface d’un métal, il peut transmettre son énergie à un électron.
Si cette énergie dépasse le travail d’extraction, l’électron est éjecté.

Formule clé

Le lien entre énergie du photon, travail d’extraction et énergie cinétique de l’électron éjecté est donné par :

\[ E_{photon} = h imes u = W + KE_{max} \]

où :

\( h \) est la constante de Planck (\( h pprox 6,626 imes 10^{-34} \, ext{Js} \))
\( u \) est la fréquence de la lumière
\( W \) est le travail d’extraction du métal, c’est-à-dire l’énergie minimale nécessaire pour libérer un électron dans le métal
\( KE_{max} \) est l’énergie cinétique maximale de l’électron éjecté

Travail d’extraction (W)

C’est une propriété propre à chaque métal.
Il correspond à une énergie, généralement exprimée en électron-volts (eV).
Pour qu’un électron soit éjecté, la fréquence de la lumière doit satisfaire :

\[ u \geq rac{W}{h} \]

Conclusion

Seule la lumière dont la fréquence est au moins égale à \(rac{W}{h}\) peut provoquer l’effet photoélectrique.
Ce phénomène a permis de valider la nature particulaire de la lumière et a conduit à la théorie quantique.