EFFET PHOTOELECTRIQUE EXTERNE

Effet photoélectrique externe

L'effet photoélectrique externe est le phénomÈne par lequel, suite à l'illumination d'un conducteur, celui-ci émet des électrons.

Le dispositif expérimental par lequel on peut mettre en évidence l'effet photoélectrique externe a la structure suivante:

un tube à décharge vidé, qui contient deux électrodes, muni d'une fenÊtre transparente par laquelle la cathode peut Être illuminée

un montage électrique qui comprend une source de courant électrique continu et un rhéostat, permettant d'appliquer une tension variable aux bornes du tube

un voltmÈtre pour mesurer la tension aux bornes du tube et un miliampermÈtre pour mesurer l'intensite du courant dans le tube

Les expériences effectuées avec de la lumiÈre monochromatique ont montré que, si l'effet photoélectrique se produit, à de grandes tensions positives appliquées au tube, le courant électrique ne peut pas dépasser une certaine valeur, dénommée courant de saturation. D'autre part, par l'application d'une tension négative on peut obtenir l'annulation du courant si la tension dépasse une certaine valeur, nommée tension de freinage. Le passage du courant électrique par le tube est la preuve directe du fait que l'électrode illuminée émet des électrons (quand la cathode n'est pas illuminée, le courant électrique à travers le tube est nul, quoique la tension appliquée soit).

Les lois expérimentales de l'effet photoélectrique peuvent Être formulées comme il suit:

I.    Si l'effet photoélectrique se produit, alors l'intensité du courant de saturation est proportionnelle au flux de lumiÈre monochromatique incident à la cathode.

II. Pour que l'effet photoélectrique paraisse, il est nécessaire que la fréquence de la lumiÈre monochromatique soit supérieure à une certaine valeur, nommée 'fréquence de seuil'. La valeur de la fréquence de seuil dépend de la nature du matériau duquel la cathode est confectionnée.

III. La tension de freinage est proportionnelle à la fréquence de la lumiÈre monochromatique utilisée si elle dépasse la fréquence de seuil.

IV. L'émission d'électrons commence précisément au moment oÙ l'illumination de la cathode est établie si la fréquence de la lumiÈre dépasse la fréquence de seuil.

Les lois II et III sont représentées dans le graphique ci-joint et peuvent Être mise sous la forme mathématique suivante

La valeur de la constante de dépend pas de la nature de la cathode, étant égale a la constante de Planck h. Il résulte

La constante de matériau L_ext est nommée travail d'extraction parce que, dimensionnellement, celle-ci signifie de l'énergie. On observe que la fréquence de seuil dépend du travail mécanique d'extraction conformément à la relation

L'explication des lois expérimentales de l'effet photoélectrique à l'aide de la théorie de la nature ondulatoire de la lumiÈre échoue, à l'exception de la premiÈre loi.

En échange, la théorie corpusculaire permet une explication trÈs simple, formulée pour la premiÈre fois par Einstein, basée sur l'hypothÈse des quanta de lumiÈre de Planck. Conformément à ce qu'Einstein ait affirmé, le terme hn représente l'énergie d'un photon. Ce photon souffre une collision plastique avec un électron d'un atome du matériau de la cathode. Le photon est absorbé et, suite à l'interaction, l'électron se sépare de l'atome dont il faisait partie et peut quitter le matériau. Les consommations d'énergie pour arracher l'électron de l'atome et pour sa sortie du matériau sont mesurés par le travail d'extraction. Le reste de l'énergie acquise par l'électron se retrouve sous la forme d'énergie cinétique de l'électron. La loi de la conservation de l'énergie montre que

L'explication des lois de l'effet photoélectrique devient trÈs facile en ce moment:

I.    Plus que l'intensité de la lumiÈre s'amplifie, plus le nombre de photons incidents sera grand, aussi que le nombre de collisions et celui d'électrons libérés croissent

II. Si l'énergie du photon n'est pas suffisante pour arracher l'électron de l'atome, il est évident que l'effet photoélectrique ne peut se produire. De plus, il est évident que l'énergie minimum nécessaire aux photons dépend de la nature des atomes du matériau de la cathode

III. Conformément au théorÈme de la variation de l'énergie cinétique, le travail mécanique des forces qui agissent sur l'électron trouvé à l'intérieur du tube est une mesure de la variation de son énergie cinétique. Le courant s'annule au moment oÙ l'énergie cinétique des électrons s'annule

ainsi que la loi d'Einstein devient

ayant une forme identique à celle de la loi expérimentale de l'effet photoélectrique

IV. L'interaction photon-électron est un phénomÈne de trÈs courte durée, ce qui, de pair avec l'observation que la vitesse acquise par l'électron a une valeur trÈs grande, est en accord avec le fait que l'écart de temps entre le début de l'illumination de la cathode et l'apparition des premiers photoélectrons est trÈs court, presque insaisissable