Sources de lumière colorée

Conditions de mise en œuvre : L’ensemble de cette activité constitue un réinvestissement des connaissances sur la quantification des niveaux d’énergie de la matière et peut donc être proposé aux élèves après avoir découvert cette notion. La partie 1.1. (l’effet photoélectrique) doit être menée sous la forme d’échanges et de débats en classe entière (durée 1h). Le but est alors d’inciter les élèves à s’exprimer oralement pour confronter leur proposition de réponse. Le professeur pourra soit faire l’expérience de Hertz, soit projeter l’animation, soit montrer la vidéo. Animation :

http://www.physique.edunet.tn/kef/chapitre1effet/I- %20EXPERIENCES%20%20DE%20%20HERTZ.htm

Vidéo : http://video.yahoo.com/watch/616757/2931071 La suite (parties 1.2 et 2.) peut être traitée comme des exercices illustrant la quantification de l’énergie à faire en classe (1h) ou à faire faire à la maison (0h30 de correction en classe). Pré- requis :  Champ électrostatique (première S)  Modèle corpusculaire de la lumière : le photon (première S)  Quantification des niveaux d’énergie de la matière (première S)  Couleur des objets (première S)  Synthèse additive (première S) Interpréter les échanges d’énergies entre lumière et matière à l’aide du modèle corpusculaire de la lumière. Connaître les relations λ=c/ν et ΔE=hν et les utiliser pour exploiter un diagramme de niveaux d’énergie.

Mots clés de recherche : quantification des niveaux d’énergie, photon, effet photoélectrique, lampe à décharge de sodium, fluorescence 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 Alexandre Edmond Becquerel, présentée à l’Académie des Sciences, permet d’observer pour la première fois que si on illumine une électrode d’un dispositif composé de deux électrodes identiques plongées dans un électrolyte , il peut apparaître une différence de potentiel (ou tension électrique) entre ces  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.

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 ? Que peut-on observer lorsqu’ensuite la plaque de verre est retirée ? 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.  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.

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.  Albert EINSTEIN (1879/1955), physicien allemand, reçoit en 1921 le prix Nobel de physique pour son apport à la physique théorique et particulièrement son explication de l’effet photoélectrique.  Le soleil est une source d’énergie inépuisable, l’exploitation de son rayonnement pour produire de l’électricité a été possible par la compréhension de l’effet photoélectrique : un panneau photovoltaïque convertit une partie de l’énergie lumineuse du soleil en énergie électrique.