La physique

L'interprétation d'Einstein pour l'effet photoélectrique


En 1905, Einstein a proposé une nouvelle théorie de la lumière, en utilisant l'effet photoélectrique pour prouver si ses idées étaient en effet correctes.

Au départ, Planck avait restreint le concept de quantification de l'énergie aux seuls électrons dans les parois d'un corps noir. Pour lui, alors qu'il rayonnait d'énergie, elle se propageait dans l'espace, tout comme les vagues se propageaient dans l'eau. Einstein, à son tour, a proposé que l'énergie soit quantifiée dans des emballages concentrés qui seraient plus tard appelés photons.

Einstein a concentré son attention sur la forme corpusculaire dans laquelle la lumière est émise et absorbée, et non sur la forme d'onde pendant sa propagation. Il a soutenu que l'exigence de Planck que l'énergie des ondes électromagnétiques émises par une source soit un multiple de hf impliquait qu'en passant d'un état d'énergie nhf à un état dont l'énergie était (n-1) hf, la source émettrait une impulsion discrète de rayonnement électromagnétique avec hf.

Il a initialement supposé que ce paquet d'énergie serait situé dans un petit volume d'espace et y resterait alors qu'il s'éloignait de la source à la vitesse c, la vitesse de la lumière.

L'énergie E du boîtier, ou plutôt du photon, est liée à la fréquence f selon l'équation:

Dans l'effet photoélectrique, un photon est complètement absorbé par un électron dans la photocathode. Ainsi, lorsqu'elle est émise par la surface métallique, l'énergie cinétique électronique sera donnée par:

Où:

hf = énergie photonique absorbée incidente;

w = travail requis pour retirer l'électron du métal.

Certains électrons sont plus fortement liés que d'autres, de sorte que dans le cas de la liaison la plus faible et sans perte interne, le photoélectron émergera avec une énergie cinétique maximale, Kmax. Donc:

Où w0, une énergie caractéristique du métal, appelée fonction de travail, est l'énergie minimale requise pour qu'un électron traverse la surface du métal et échappe aux forces d'attraction qui le maintiennent sur le métal.

Depuis Kmax= eV0, nous pouvons réécrire l'équation de l'effet photoélectrique comme suit:

L'objection selon laquelle Kmax En fonction de l'intensité de l'illumination, la théorie des photons s'accorde pleinement avec les résultats obtenus expérimentalement: doubler l'intensité lumineuse double simplement le nombre de photons et donc double l'intensité du courant électrique, mais cela ne change pas l'énergie hf de chaque photon. .

Quant à l'existence d'un seuil de fréquence, cette idée est facilement éliminée lorsque l'énergie cinétique maximale est nulle:

Cela signifie qu'un photon de fréquence f0 Il a exactement l'énergie nécessaire pour éjecter les photoélectrons et donc aucun excès d'énergie cinétique.

L'absence de retard s'explique par le fait que la puissance requise est fournie en colis concentrés. Ainsi, contrairement à la croyance populaire, il n'est pas réparti uniformément sur une grande surface, car s'il y a de la lumière qui brille sur la cathode, il y aura au moins un photon pour la frapper, qui sera instantanément absorbé par un atome. et provoquera l'émission immédiate d'un photon.

Enfin, le modèle d'Einstein déclare qu'un photon de fréquence f a exactement l'énergie hf, pas des multiples de hf. Cependant, il est évident que si nous avons affaire à n photons de fréquence f, l'énergie à cette fréquence sera nhf.