98 Chapitre 4
Introduction au monde quantique
La conception classique de la lumière en tant qu’onde électromagnétique laissait présager
l’existence d’un seuil d’intensité lumineuse pour extraire les électrons de la cathode et restait
impuissante à expliquer le seuil de fréquence, l’énergie transportée par l’onde étant a priori
indépendante de sa fréquence.
Einstein introduit en 1905 la notion de quanta d’énergie : une lumière de fréquence ν est
constituée de particules d’énergie hν que nous nommons aujourd’hui photons.
En absorbant un photon, l’électron gagne une énergie hν lui permettant de s’extraire du
métal et d’acquérir une énergie cinétique E c . En notant W le travail d’extraction, c’està-dire l’énergie minimale qu’il faut fournir pour extraire l’électron de la surface du métal,
le bilan énergétique de l’effet photoélectrique s’écrit hν = E c + W . Nous retrouvons bien
ainsi l’existence d’une fréquence seuil ν s =
W
h
en dessous de laquelle l’électron ne peut pas
s’extraire de la cathode : aucun courant n’est alors mesuré. La tension d’arrêt U a correspond
à la situation dans laquelle l’électron arrive sur le collecteur en ayant perdu toute son énergie
cinétique. La conservation de l’énergie mécanique de l’électron entre la cathode et le collecteur
donne E c = 0 − eU a , soit −U a =
hν − W
e
: la tension d’arrêt varie linéairement avec la
fréquence ν de la lumière incidente.
L’hypothèse corpusculaire permet bien de rendre compte de l’effet photoélectrique.
Approche documentaire : interprétation de l’effet photoélectrique
Qu’est-ce qu’un photon ? Quelles sont ses principales caractéristiques ?
Le photon est la particule associée à la lumière. C’est une particule sans masse qui se déplace
à la célérité c dans le vide ; c est une constante fondamentale dont la valeur exacte est :
c = 299 792 458 m · s
−1
Définition : Photon
Soit une onde lumineuse monochromatique de fréquence ν et se propageant à la célérité c dans
le vide. L’énergie E d’un photon est reliée à ν par la relation dite de Planck-Einstein :
E = hν = h
c
λ
où h = 6,626 · 10
−34 J · s est la constante de Planck.
On trouve aussi cette relation sous la forme : E = hω/2π = ω où = h/2π est la constante
de Planck réduite.
Énergie d’un photon (relation de Planck-Einstein)
L’unité usuelle pour exprimer l’énergie d’un photon est l’électron-volt (eV). Elle correspond à l’énergie cinétique acquise par un électron accéléré par une différence de
potentiel de 1 V, soit : 1 eV = 1,602 · 10
−19 J.
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Introduction au monde quantique
La conception classique de la lumière en tant qu’onde électromagnétique laissait présager
l’existence d’un seuil d’intensité lumineuse pour extraire les électrons de la cathode et restait
impuissante à expliquer le seuil de fréquence, l’énergie transportée par l’onde étant a priori
indépendante de sa fréquence.
Einstein introduit en 1905 la notion de quanta d’énergie : une lumière de fréquence ν est
constituée de particules d’énergie hν que nous nommons aujourd’hui photons.
En absorbant un photon, l’électron gagne une énergie hν lui permettant de s’extraire du
métal et d’acquérir une énergie cinétique E c . En notant W le travail d’extraction, c’està-dire l’énergie minimale qu’il faut fournir pour extraire l’électron de la surface du métal,
le bilan énergétique de l’effet photoélectrique s’écrit hν = E c + W . Nous retrouvons bien
ainsi l’existence d’une fréquence seuil ν s =
W
h
en dessous de laquelle l’électron ne peut pas
s’extraire de la cathode : aucun courant n’est alors mesuré. La tension d’arrêt U a correspond
à la situation dans laquelle l’électron arrive sur le collecteur en ayant perdu toute son énergie
cinétique. La conservation de l’énergie mécanique de l’électron entre la cathode et le collecteur
donne E c = 0 − eU a , soit −U a =
hν − W
e
: la tension d’arrêt varie linéairement avec la
fréquence ν de la lumière incidente.
L’hypothèse corpusculaire permet bien de rendre compte de l’effet photoélectrique.
Approche documentaire : interprétation de l’effet photoélectrique
Qu’est-ce qu’un photon ? Quelles sont ses principales caractéristiques ?
Le photon est la particule associée à la lumière. C’est une particule sans masse qui se déplace
à la célérité c dans le vide ; c est une constante fondamentale dont la valeur exacte est :
c = 299 792 458 m · s
−1
Définition : Photon
Soit une onde lumineuse monochromatique de fréquence ν et se propageant à la célérité c dans
le vide. L’énergie E d’un photon est reliée à ν par la relation dite de Planck-Einstein :
E = hν = h
c
λ
où h = 6,626 · 10
−34 J · s est la constante de Planck.
On trouve aussi cette relation sous la forme : E = hω/2π = ω où = h/2π est la constante
de Planck réduite.
Énergie d’un photon (relation de Planck-Einstein)
L’unité usuelle pour exprimer l’énergie d’un photon est l’électron-volt (eV). Elle correspond à l’énergie cinétique acquise par un électron accéléré par une différence de
potentiel de 1 V, soit : 1 eV = 1,602 · 10
−19 J.
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