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Physique · 4 affiches · formule n° 83

L’effet photoélectrique

Éclairé par une lumière de fréquence assez élevée, un métal émet des électrons. Leur énergie maximale dépend de la fréquence de la lumière, pas de son intensité : chaque grain de lumière cède son énergie à un seul électron.

Voir les 4 affiches 11 contrôles par le calcul

Un photon de fréquence ν\nu cède son énergie hνh\nu à un électron du métal ; WW est le travail de sortie du métal (Einstein, 1905). Dessin : Ec,maxE_{c,\max} selon ν\nu pour WW de 22 à 55 eV, des droites parallèles de pente hh ; sous le seuil ν0=W/h\nu_0 = W/h (pointillés), aucun électron ne sort. La bande marque la lumière visible.

Quatre styles

Les affiches

La même formule, le même dessin calculé, en Papier, Nuit, Bauhaus ou Tableau noir. En affiche, toile, plexiglas ou aluminium.

Ce que dit la formule

Quand on éclaire la surface d’un métal, des électrons peuvent en être arrachés : c’est l’effet photoélectrique. Albert Einstein en a donné la loi en 1905 en supposant que la lumière de fréquence ν\nu transporte son énergie par quanta, aujourd’hui appelés photons, d’énergie hνh\nu chacun. Un photon absorbé cède toute son énergie à un électron ; si elle suffit, l’électron sort du métal, avec une énergie cinétique au plus égale à

Ec,max=hν−WE_{c,\max} = h\nu - W
  • Ec,maxE_{c,\max} : l’énergie cinétique maximale des électrons émis, en joules (on l’exprime souvent en électronvolts : 1 eV =1,602176634×10−19= 1{,}602\,176\,634 \times 10^{-19} J exactement).
  • hh : la constante de Planck, h=6,62607015×10−34h = 6{,}626\,070\,15 \times 10^{-34} J·s, valeur exacte depuis 2019 ; en électronvolts, environ 4,135667×10−154{,}135\,667 \times 10^{-15} eV·s.
  • ν\nu : la fréquence de la lumière, en hertz. Elle est liée à la longueur d’onde λ\lambda dans le vide par ν=c/λ\nu = c/\lambda.
  • WW : le travail de sortie du métal, l’énergie minimale qu’il faut fournir pour extraire un électron de sa surface. Il dépend du métal et de l’état de sa surface : d’environ 2 à 3 eV pour les métaux alcalins (potassium, sodium, césium…) à 4 à 6 eV pour la plupart des autres métaux usuels.

Le seuil. La formule n’a de sens que si hν≥Wh\nu \geq W. En dessous de la fréquence seuil ν0=W/h\nu_0 = W/h, aucun électron n’est émis, quelle que soit l’intensité de la lumière. Au-dessus, augmenter l’intensité augmente le nombre d’électrons émis, pas leur énergie maximale.

Pourquoi « maximale ». Les électrons les moins liés sortent avec hν−Wh\nu - W ; les autres perdent un peu plus d’énergie en chemin et sortent moins vite. En pratique, on mesure Ec,maxE_{c,\max} par la tension d’arrêt U0U_0, la tension électrique qui suffit tout juste à stopper les électrons les plus rapides : eU0=Ec,maxe\,U_0 = E_{c,\max}.

Un exemple

Lumière violette sur du potassium. Le travail de sortie du potassium vaut environ 2,29 eV. Une lumière violette de longueur d’onde 400 nm a pour fréquence ν=c/λ=299792458/(400×10−9)\nu = c/\lambda = 299\,792\,458 / (400 \times 10^{-9}), soit environ 749,48 THz. Chaque photon apporte

hν≈4,135667×10−15×7,4948×1014≈3,099 eV.h\nu \approx 4{,}135\,667 \times 10^{-15} \times 7{,}494\,8 \times 10^{14} \approx 3{,}099\ \mathrm{eV}.

L’énergie cinétique maximale des électrons vaut donc environ 3,099−2,293{,}099 - 2{,}29, soit environ 0,809 eV, et la tension d’arrêt environ 0,809 V. Avec la masse de l’électron, 9,109×10−319{,}109 \times 10^{-31} kg, cela correspond à une vitesse 2E/m\sqrt{2E/m} d’environ 533 km/s, moins de 0,2 % de la vitesse de la lumière : la formule classique de l’énergie cinétique suffit.

Le seuil du potassium. ν0=W/h≈2,29/(4,135667×10−15)\nu_0 = W/h \approx 2{,}29 / (4{,}135\,667 \times 10^{-15}), soit environ 553,7 THz, ce qui correspond à une longueur d’onde d’environ 541 nm, dans le vert. Une lumière rouge de 700 nm, dont les photons n’apportent qu’environ 1,771 eV, n’arrache aucun électron au potassium, même très intense.

Combien de photons ? Un faisceau violet de 1 milliwatt transporte 10−3/(hν)10^{-3} / (h\nu), soit environ 2,01×10152{,}01 \times 10^{15} photons par seconde. C’est le nombre de photons, et donc d’électrons arrachés, qui suit l’intensité.

Une valeur commode. Le produit hchc vaut environ 1 239,84 eV·nm : un photon de longueur d’onde λ\lambda (en nanomètres) a une énergie d’environ 1239,84/λ1\,239{,}84/\lambda électronvolts.

Pourquoi c’est vrai

L’idée : un bilan d’énergie. La formule est un bilan d’énergie pour un seul électron. Il reçoit l’énergie hνh\nu d’un seul photon, il en dépense au moins WW pour franchir la surface, il garde le reste sous forme d’énergie cinétique. Tout le contenu physique est dans l’hypothèse d’Einstein : la lumière échange son énergie par paquets hνh\nu, et chaque paquet est absorbé en entier par un seul électron.

Ce que la théorie des ondes n’expliquait pas. Si la lumière n’était qu’une onde, son énergie serait répartie continûment sur la surface éclairée : une lumière plus intense devrait donner des électrons plus rapides, et une lumière rouge assez intense, ou un éclairage assez long, devrait finir par arracher des électrons. Or l’expérience montre le contraire : il existe un seuil en fréquence, l’énergie des électrons ne dépend pas de l’intensité, et l’émission commence presque instantanément, même sous un faible éclairement. L’hypothèse des quanta rend compte de ces trois faits à la fois.

La vérification. La formule prédit que Ec,maxE_{c,\max}, tracée en fonction de ν\nu, est une droite de pente hh, la même pour tous les métaux, qui coupe l’axe des fréquences au seuil ν0\nu_0 et l’axe des énergies en −W-W. C’est exactement ce que Robert Millikan a mesuré : sa détermination de hh par cette pente a confirmé la loi. Ce n’est pas une démonstration au sens mathématique, mais une loi physique validée par l’expérience.

Un peu d’histoire

La découverte de l’effet est attribuée à Heinrich Hertz, qui publie en 1887 que la lumière ultraviolette facilite la production d’étincelles entre deux électrodes. Dès 1888, Wilhelm Hallwachs l’attribue à l’émission de charges négatives. En 1902, Philipp Lenard constate que l’énergie des électrons émis ne dépend pas de l’intensité de la lumière, ce que la théorie des ondes ne permet pas d’expliquer.

En 1905, Albert Einstein publie dans les Annalen der Physik l’article Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (« Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière »), reçu le 18 mars et paru le 9 juin. Il y reprend l’idée de quanta d’énergie introduite par Max Planck en 1900 pour le rayonnement du corps noir, et l’applique à la lumière elle-même.

L’hypothèse est d’abord accueillie avec scepticisme. Robert Millikan, qui n’y croyait pas, mène pendant des années des mesures soigneuses ; en 1914, il établit que l’énergie des électrons croît bien linéairement avec la fréquence, et il publie en 1916 une détermination de hh par l’effet photoélectrique. Einstein reçoit le prix Nobel de physique 1921, décerné en 1922, « pour ses services à la physique théorique, et particulièrement pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique ». Millikan reçoit celui de 1923, notamment pour ces travaux.

Ce que montre l’affiche

Le dessin trace Ec,maxE_{c,\max} en fonction de la fréquence ν\nu pour sept métaux fictifs dont le travail de sortie va de 2 à 5 eV, par pas de 0,5 eV. Toutes les droites sont parallèles, de pente hh : elles ne commencent qu’au seuil ν0=W/h\nu_0 = W/h, marqué d’un point sur l’axe des fréquences ; en dessous, leur prolongement en pointillés rejoint −W-W sur l’axe des énergies, là où aucun électron ne sort. Une bande verticale marque la lumière visible, de 380 à 750 nm, soit d’environ 399 à 788 THz. Le dessin est calculé par des programmes écrits pour l’atelier ; l’affiche existe en quatre styles : Papier, Nuit, Bauhaus et Tableau noir.

Pour aller plus loin

Sources : Effet photoélectrique (Wikipédia) (nouvel onglet), Photoelectric effect (Wikipedia) (nouvel onglet), article d’Einstein de 1905 (DOI) (nouvel onglet), article de Millikan de 1916 (DOI) (nouvel onglet), prix Nobel de physique 1921 (NobelPrize.org) (nouvel onglet), travail de sortie des métaux (Wikipedia) (nouvel onglet), constante de Planck (NIST) (nouvel onglet), Annus mirabilis papers (Wikipedia) (nouvel onglet).

Vérifiée par le calcul

Les contrôles de cette formule

Avant d'imprimer l'affiche, un programme met la formule à l'épreuve. Voici ce qu'il a calculé (dernier passage le 11 octobre 2026) ; si un seul de ces contrôles échouait, l'affiche ne serait pas produite. Notre méthode

  • dimensions : h ν est une énergie (J·s × Hz = J)[2,1,-2,0,0] contre [2,1,-2,0,0] (m, kg, s, A, K)
  • h en eV·s : 4,135 667 696… × 10⁻¹⁵ (NIST, exacte)obtenu 4.135667696923859e-15, attendu 4.135667696e-15, écart 2.23e-10 (tolérance 1e-9)
  • hc = 1 239,841 984… eV·nm : un photon de 1 eV a une longueur d’onde de 1 239,84 nmobtenu 1239.8419843320028, attendu 1239.841984, écart 2.68e-10 (tolérance 1e-9)
  • dessin : E = 0 au seuil ν₀ = W/h pour W = 2 à 5 eVécart maximal 0.00e+0 eV
  • droite de Millikan : pente h et ordonnée à l’origine −W (régression sur 1 000 fréquences par métal)écart relatif maximal 4.00e-15
  • exemple : 400 nm sur le potassium → E ≈ 3,0996 − 2,29 = 0,8096 eVobtenu 0.8096049608300069, attendu 0.8096000000000001, écart 6.13e-6 (tolérance 0.0001)
  • … vitesse de l’électron √(2E/m) ≈ 533 km/sobtenu 533.6570816526099, attendu 533.6, écart 1.07e-4 (tolérance 0.001)
  • … très inférieure à c : la formule classique de l’énergie cinétique suffit (v/c < 0,2 %)v/c = 1.78e-3
  • contre-exemple : lumière rouge 700 nm (1,77 eV) sur le potassium : hν < W, aucun électron quelle que soit l’intensitéhν = 1.7712 eV
  • dessin : le cadre (jusqu’à 1 550 THz) contient tous les seuils
  • dessin : bande visible de 380 à 750 nm = 399,7 à 788,9 THzobtenu 788.9275210526315, attendu 788.927, écart 6.60e-7 (tolérance 0.00001)

Sources

À lire aussi

Questions fréquentes

Quelle est la formule de l’effet photoélectrique ?

E = hν − W : l’énergie cinétique maximale des électrons émis est égale à l’énergie hν d’un photon moins le travail de sortie W du métal. Elle n’a de sens que si hν est supérieur ou égal à W.

Qu’est-ce que la fréquence seuil ?

C’est la fréquence minimale ν₀ = W/h en dessous de laquelle aucun électron n’est arraché, quelle que soit l’intensité de la lumière. Pour le potassium, elle vaut environ 553 THz, soit une longueur d’onde d’environ 541 nm.

Pourquoi l’intensité de la lumière ne change-t-elle pas l’énergie des électrons ?

Parce que chaque électron absorbe l’énergie d’un seul photon, qui ne dépend que de la fréquence. Une lumière plus intense apporte plus de photons, donc arrache plus d’électrons, mais pas des électrons plus rapides.

Einstein a-t-il eu le prix Nobel pour la relativité ?

Non. Le prix Nobel de physique 1921, décerné en 1922, lui a été attribué pour ses services à la physique théorique, et particulièrement pour sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique.

À quoi sert l’effet photoélectrique ?

Il est à la base des photomultiplicateurs, qui détectent des lumières très faibles, et de la spectroscopie de photoélectrons, qui sert à étudier les matériaux. Les panneaux solaires reposent sur un effet voisin, l’effet photovoltaïque, où les électrons restent dans le matériau.