ACTIVITÉ D'EXPLORATION


2
Le photon, toute une histoire d’énergie !




Questions

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1. Doc. 1 Expliquer en quoi l’existence d’une fréquence seuil pour arracher un électron n’est pas compatible avec le modèle ondulatoire de la lumière.


2. Doc. 1 et 2 Exprimer la variation d'énergie ΔE\Delta E de l’électron en fonction de la fréquence ν.\nu.


3. Doc. 3 Exprimer la différence d’énergie ΔE\Delta E^{\prime} de l’atome en fonction de EmE_{\mathrm{m}} et EnE_{\mathrm{n}} lors de l’émission d’un photon. En s’appuyant sur la conservation de l’énergie lors de l’effet photoélectrique, déduire l’expression de l’énergie d’un photon EphotonE_{\mathrm{photon}} en fonction de ν.\nu.


4. Cette énergie peut-elle avoir des valeurs continues ?

Par intuition

La lumière peut-elle être modélisée de deux façons différentes ?

Synthèse de l'activité

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Comment l’effet photoélectrique a-t-il remis en question le modèle ondulatoire de la lumière ?

Deux théories sur la nature de la lumière s’affrontent dès le XVIIe siècle pour modéliser la lumière. Le modèle ondulatoire se heurte à certaines observations expérimentales d’interactions entre matière et rayonnement.

➜ Comment peut-on expliquer l’effet photoélectrique et les spectres discontinus d’émission ?

Supplément numérique

Retrouvez un simulateur de l’effet photoélectrique ici.

Doc. 2
Le concept de quanta de lumière

En 1900, Max Planck s’écarte du modèle ondulatoire en supposant que les échanges d’énergie entre lumière et matière ne se font que par paquets indivisibles (quanta). Le plus petit paquet d’énergie absorbé ou émis ayant pour valeur hνh \cdot \nu avec h=6,63×1034h=6\text{,}63 \times 10^{-34} J·s.

En 1905, Albert Einstein reprend l’idée de Planck pour expliquer l’effet photoélectrique observé par Hertz : l’électron est arraché à l’atome si chaque « grain de lumière » appelé quantum possède une énergie supérieure à celle de la liaison électron-atome.

Compétence

RAI/MOD : Appliquer le principe de conservation de l’énergie


Doc. 1
Observations expérimentales

En 1887, Hertz observe l'émission d'électrons par une plaque métallique exposée à la lumière ultraviolette sans pouvoir l'expliquer. Les observations de cet effet entrent en conflit avec la théorie ondulatoire de la lumière de l’époque car on constate que des électrons sont émis seulement si la fréquence de radiation dépasse une certaine valeur seuil et ils sont alors émis sans délai. Pour une fréquence inférieure, aucun effet ne se produit quelle que soit l'intensité du rayonnement. Par ailleurs, on détermine que la variation d'énergie ΔE\Delta E des électrons émis est une fonction linéaire de la fréquence notée ν\nu de la lumière incidente.

Plaque métallique (zinc, cuivre, etc.)


Doc. 3
L’interaction lumière-matière

L’interaction lumière-matière


Chaque électron orbite autour du noyau selon un niveau d’énergie spécifique. Ainsi chaque atome présente une structure de niveaux d’énergie discontinue sur laquelle les électrons se répartissent. L’état de l’électron est identifié avec deux niveaux d’énergie (Em(E_{\mathrm{m}}, En)E_{\mathrm{n}}). Si l’électron est excité ou non, l’atome peut perdre ou gagner de l’énergie en émettant ou en absorbant un photon de lumière.
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