L'effet photoélectrique fait référence à ce qui se passe lorsque des électrons sont émis par un matériau qui a absorbé le rayonnement électromagnétique. Le physicien Albert Einstein a été le premier à décrire pleinement l'effet et a reçu un prix Nobel pour son travail.
Quel est l'effet photoélectrique?
Selon Scientific American, la lumière dont l'énergie est supérieure à un certain point peut être utilisée pour détacher les électrons, les libérant ainsi d'une surface métallique solide. Chaque particule de lumière, appelée photon, entre en collision avec un électron et utilise une partie de son énergie pour déloger l'électron. Le reste de l'énergie du photon est transféré à la charge négative libre, appelée photoélectron.
Comprendre comment cela fonctionne a révolutionné la physique moderne. Les applications de l'effet photoélectrique nous ont apporté des ouvre-portes "oeil électrique", des photomètres utilisés dans la photographie, des panneaux solaires et la copie photostatique.
Découverte
Avant Einstein, l'effet avait été observé par les scientifiques, mais ils étaient confus par le comportement car ils ne comprenaient pas pleinement la nature de la lumière. À la fin des années 1800, les physiciens James Clerk Maxwell en Écosse et Hendrik Lorentz aux Pays-Bas ont déterminé que la lumière se comportait comme une onde. Cela a été prouvé en voyant comment les ondes lumineuses démontrent les interférences, la diffraction et la diffusion, qui sont communes à toutes sortes d'ondes (y compris les vagues dans l'eau).
L'argument d'Einstein en 1905 selon lequel la lumière peut également se comporter comme des ensembles de particules était révolutionnaire car il ne cadrait pas avec la théorie classique du rayonnement électromagnétique. D'autres scientifiques avaient postulé la théorie avant lui, mais Einstein a été le premier à expliquer en détail pourquoi le phénomène s'est produit - et ses implications.
Par exemple, Heinrich Hertz d'Allemagne a été la première personne à voir l'effet photoélectrique, en 1887. Il a découvert que s'il projetait une lumière ultraviolette sur des électrodes métalliques, il diminuait la tension nécessaire pour faire bouger une étincelle derrière les électrodes, selon un astronome anglais David Darling.
Puis en 1899, en Angleterre, J.J. Thompson a démontré que la lumière ultraviolette frappant une surface métallique provoquait l'éjection d'électrons. Une mesure quantitative de l'effet photoélectrique est venue en 1902, avec le travail de Philipp Lenard (un ancien assistant de Hertz.) Il était clair que la lumière avait des propriétés électriques, mais ce qui se passait n'était pas clair.
Selon Einstein, la lumière est constituée de petits paquets, d'abord appelés quanta et plus tard photons. Le comportement des quanta sous l'effet photoélectrique peut être compris grâce à une expérience de pensée. Imaginez un marbre tournant dans un puits, qui serait comme un électron lié à un atome. Quand un photon entre, il frappe le marbre (ou l'électron), lui donnant suffisamment d'énergie pour s'échapper du puits. Cela explique le comportement des surfaces métalliques frappant la lumière.
Alors qu'Einstein, alors jeune commis aux brevets en Suisse, expliquait le phénomène en 1905, il a fallu 16 ans de plus pour que le prix Nobel soit décerné pour son travail. Cela est venu après que le physicien américain Robert Millikan a non seulement vérifié le travail, mais aussi trouvé une relation entre l'une des constantes d'Einstein et la constante de Planck. Cette dernière constante décrit le comportement des particules et des ondes dans le monde atomique.
D'autres premières études théoriques sur l'effet photoélectrique ont été réalisées par Arthur Compton en 1922 (qui a montré que les rayons X pouvaient également être traités comme des photons et ont remporté le prix Nobel en 1927), ainsi que Ralph Howard Fowler en 1931 (qui a examiné la relation entre les températures des métaux et les courants photoélectriques.)
Applications
Alors que la description de l'effet photoélectrique semble hautement théorique, il existe de nombreuses applications pratiques de son travail. Britannica en décrit quelques-uns:
Les cellules photoélectriques étaient à l'origine utilisées pour détecter la lumière, à l'aide d'un tube à vide contenant une cathode, pour émettre des électrons et une anode, pour recueillir le courant résultant. Aujourd'hui, ces "phototubes" ont évolué vers des photodiodes à base de semi-conducteurs qui sont utilisées dans des applications telles que les cellules solaires et les télécommunications à fibres optiques.
Les tubes photomultiplicateurs sont une variation du phototube, mais ils ont plusieurs plaques métalliques appelées dynodes. Les électrons sont libérés après que la lumière a frappé les cathodes. Les électrons tombent ensuite sur la première dynode, ce qui libère plus d'électrons qui tombent sur la deuxième dynode, puis sur les troisième, quatrième et ainsi de suite. Chaque dynode amplifie le courant; après environ 10 dynodes, le courant est suffisamment fort pour que les photomultiplicateurs détectent même des photons uniques. Des exemples de cela sont utilisés en spectroscopie (qui divise la lumière en différentes longueurs d'onde pour en savoir plus sur les compositions chimiques des étoiles, par exemple), et en tomodensitométrie axiale (CAT) qui examinent le corps.
Les autres applications des photodiodes et photomultiplicateurs comprennent:
- la technologie d'imagerie, y compris les tubes de caméras de télévision (plus anciens) ou les intensificateurs d'image;
- étudier les processus nucléaires;
- analyser chimiquement les matériaux en fonction de leurs électrons émis;
- donnant des informations théoriques sur la façon dont les électrons dans les atomes passent entre différents états énergétiques.
Mais peut-être que l'application la plus importante de l'effet photoélectrique a déclenché la révolution quantique, selon
Scientifique américain. Il a amené les physiciens à penser la nature de la lumière et la structure des atomes d'une manière entièrement nouvelle.
