Interaction lumière

De façon générale, les atomes ont tendance à s’associer pour former des molécules stables par mise en commun d’électrons. Lorsque la lumière arrive sur la matière, ces atomes et molécules peuvent réagir de diverses manières : absorption, fluorescence, transmission, réfraction, réflexion, diffusion. Nous allons nous intéresser à deux de ces phénomènes : tout d’abord l’absorption par la matière de photons et d’électrons et ensuite la fluorescence. En 1839, une expérience d’Antoine Becquerel et son fils, présentée à l’Académie des Sciences, permet d’observer pour la première fois que le comportement électrique d’électrodes de platine et de cuivre immergées dans une solution électrolytique acide est modifié par un éclairage.  En 1886, Heinrich Hertz réalise l’expérience intitulée « effet photoélectrique » : une plaque de zinc, décapée, montée sur un électroscope est chargée, puis éclairée par la lumière émise par une lampe à vapeur de mercure (émettant un rayonnement riche en UV, visible et IR) ou par une lampe à UV.

1ère étape : Initialement la plaque de zinc et l’électroscope sont chargés négativement : l’aiguille de l’électroscope dévie. Puis la plaque de zinc est éclairée. Que peut-on observer ? Décharge de l’électroscope. 2ème étape : La plaque de zinc est rechargée négativement et une plaque de verre est interposée entre la lampe et le zinc. Que peut-on observer lorsque la lampe est allumée ? Pas de décharge de l’électroscope. Que peut-on observer lorsqu’ensuite la plaque de verre est retirée ? Décharge de l’électroscope.  3ème étape : La plaque de zinc est chargée positivement, puis éclairée : que peut-on observer ? Pas de décharge de l’électroscope.

1ère étape : les électrons, une fois extraits de la lame, sont repoussés par la lame qui se charge positivement. Les charges négatives de l’électroscope viennent neutraliser les charges positives de la lame : la décharge s’effectue. 3ème étape : la plaque de zinc, chargée positivement, attire les électrons émis : la décharge n’est pas observée.  Heinrich Hertz a alors découvert que la lumière ultraviolette provoque l’émission d’électrons à partir d’une surface métallique comme le zinc.  Un métal est constitué par un réseau cristallin d’ions positifs entre lesquels circulent des électrons liés au réseau, mais libres de se déplacer à l’intérieur de ce réseau.

Pour extraire un électron, il faut lui fournir une énergie Ws, appelée travail de sortie ou travail d’extraction (Ws représente l’énergie de liaison de l’électron au réseau métallique). Schéma complété lors de la mise en commun. Le diagramme énergétique illustre que :  c’est à l’intérieur du métal que l’électron a le moins d’énergie, car il est lié au réseau ;  lorsque l’électron a capté l’énergie E = Ws, il est sorti du métal, mais il est au repos   Quelle énergie minimale doit recevoir un électron pour être libéré ? On pourrait s’attendre à ce qu’un faisceau de forte puissance apporte l’énergie suffisante pour extraire des électrons. Mais l’expérience monte qu’il existe une valeur minimale d’énergie caractéristique de la surface métallique, en dessous de laquelle aucun électron n’est éjecté, quelle que soit l’intensité de la radiation.   L’énergie cinétique de l’électron libéré dépend-elle de l’intensité de la lumière ? L’énergie cinétique des électrons éjectés ne dépend pas de l’intensité de la lumière uniquement de l’énergie captée.

Ce sont les deux observations de H. Hertz qui contrastent avec la théorie de la lumière généralement admise à l’époque : la lumière est une onde (c’est la théorie qui permet d’expliquer une grande partie des phénomènes dans lesquels la lumière intervient comme la diffraction, les interférences …). Pour expliquer l’effet photoélectrique, il faut renoncer au modèle ondulatoire de la Physique Classique et recourir au modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d’Einstein, 1905).  Modèle corpusculaire de la lumière (hypothèse d’Einstein) : Un rayonnement électromagnétique de fréquence ν peut être considéré comme un faisceau de particules : les photons. Chaque photon transporte l’énergie E = h·ν où h représente la constante de Planck.