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10.1. Le photon : un fait expérimental
Lune
Terre
Télescope
Figure 10.1 - Laser Terre-Lune: on mesure le temps d'aller-retour d'une brève
impulsion laser, émise depuis un télescope, et réfléchie par un dispositif posé sur la
Lune. Le détecteur Terrestre reçoit en moyenne un photon toutes les cinquante
impulsions lumineuses.
l 0.1. l L'effet photoélectrique
Revenons à 1 'effet photoélectrique mentionné dans 1' encart 10.1 : Hertz découvre en
1887 que de la lumière incidente sur un conducteur électrique peut lui arracher des
électrons. En 1902, Lenard démontre expérimentalement que c' est le nombre d'électrons émis qui augmente linéairement avec la puissance du rayonnement incident et
non l'énergie de ces électrons. Par contre, cette dernière dépend linéairement de la
fréquence du rayonnement.
En 1905, Einstein postule l'existence de quanta de lumière, qui seront appelés plus
tard « photons », dont 1 ' énergie E est proportionnelle à la fréquence v de la lumière
considérée :
E = hv = nw
(10.1)
où w = 2nv est la pulsation de la lumière, h ; : : : ; : ; 6,6.10- 34 J.s est la constante de Planck
et n = 2 : ;:::;:; 10- 34 J.s est appelée« constante de Planck réduite».
L'explication de l'effet photoélectrique est alors très simple si l'on suppose que
l'interaction se fait quanta par quanta avec conservation de l'énergie pour chaque
processus élémentaire : un photon incident sur la plaque métallique éjecte un électron, et 1 'énergie Eetectron de 1' électron émis est égale à 1' énergie du photon incident
diminuée de l'énergie d'extraction W extraction nécessaire pour arracher l' électron à la
plaque.
Eelectron = hv - W extraction
(10.2)
Il en résulte qu'il y a un seuil d 'énergie, donc de fréquence, pour que le processus soit
possible: l'énergie hv du photon incident doit être supérieure à l' énergie d'extraction
W extraction· Enfin le nombre d'électrons arrachés est, dans les conditions idéales, égal
au nombre de photons incidents.
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Revenons à 1 'effet photoélectrique mentionné dans 1' encart 10.1 : Hertz découvre en
1887 que de la lumière incidente sur un conducteur électrique peut lui arracher des
électrons. En 1902, Lenard démontre expérimentalement que c' est le nombre d'électrons émis qui augmente linéairement avec la puissance du rayonnement incident et
non l'énergie de ces électrons. Par contre, cette dernière dépend linéairement de la
fréquence du rayonnement.
En 1905, Einstein postule l'existence de quanta de lumière, qui seront appelés plus
tard « photons », dont 1 ' énergie E est proportionnelle à la fréquence v de la lumière
considérée :
E = hv = nw
(10.1)
où w = 2nv est la pulsation de la lumière, h ; : : : ; : ; 6,6.10- 34 J.s est la constante de Planck
et n = 2 : ;:::;:; 10- 34 J.s est appelée« constante de Planck réduite».
L'explication de l'effet photoélectrique est alors très simple si l'on suppose que
l'interaction se fait quanta par quanta avec conservation de l'énergie pour chaque
processus élémentaire : un photon incident sur la plaque métallique éjecte un électron, et 1 'énergie Eetectron de 1' électron émis est égale à 1' énergie du photon incident
diminuée de l'énergie d'extraction W extraction nécessaire pour arracher l' électron à la
plaque.
Eelectron = hv - W extraction
(10.2)
Il en résulte qu'il y a un seuil d 'énergie, donc de fréquence, pour que le processus soit
possible: l'énergie hv du photon incident doit être supérieure à l' énergie d'extraction
W extraction· Enfin le nombre d'électrons arrachés est, dans les conditions idéales, égal
au nombre de photons incidents.
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