Chapitre 5 : L électron et interactions L effet photoélectrique

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1 Chapitre 5 : L électron et interactions L effet photoélectrique Plan 1. Introduction 2. Interaction lumière / métal 3. Effet photoélectrique 4. Conclusion 1

2 Importance des électrons Constituant de la matière, de l atome (Chapitre 1) Plusieurs rôles (liste non exhaustive): Géométrie des molécules (Chapitre ultérieur) Réactivité chimique (en TP et UE CHI nd semestre) Notamment échange d électrons (oxydoréduction) Courant électrique Mise en jeu de phénomènes naturels Mise en jeu de caractérisations de molécules ou matériaux 2

3 Les orages et aurores boréales Orage Décharge électrique des nuages 3

4 Les orages et aurores boréales Vidéo ISS Aurore Boréale Électrons de haute énergie qui entrechoquent des molécules de O 2 et de N 2 dans la ionosphère 4

5 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) : Création et focalisation d un faisceau d électron Filament de tungstène : Interaction électron / matière et production de particules qui sont ensuite analysées par des détecteurs et qui renseignent sur les propriétés de l échantillon. 5

6 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) : Interaction électron / matière et production de particules qui sont ensuite analysées par des détecteurs et qui renseignent sur les propriétés de l échantillon. 6

7 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Nanoparticule de Cuivre sur un substrat d Or Couche mince d oxyde de vanadium sur un substrat d Alumine (Al 2 O 3 ) 7

8 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Dépôt ALD d une couche mince de TaON (100 nm) sur des substrats de forme complexe (tranchées, mésa, plots) 8

9 Introduction Interaction lumière / métal Effet photoélectrique L essentiel Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Dépôts de Cr2O3 sur Cr par oxydation thermique 9

10 Introduction Interaction lumière / métal Effet photoélectrique L essentiel Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Dépôts de Cr2O3 sur Cr par oxydation thermique 10

11 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Dépôts de Cr 2 O 3 sur Cr par oxydation thermique 11

12 Caractérisations de matériaux par microscopie électronique à balayage (MEB) Dépôts de Cr 2 O 3 sur Cr par oxydation thermique 12

13 Mise en évidence d un électron Il est très difficile d isoler un électron et le caractériser individuellement Mais il existe des expériences qui mettent en évidence des électrons Parmi ces expériences L effet photoélectrique. 13

14 La lumière : aspect ondulatoire et vibratoire La lumière est une onde électromagnétique champ électrique et magnétique oscillants et perpendiculaires on peut la représenter comme une onde qui vibre = La lumière 14

15 La lumière : aspect ondulatoire et vibratoire La lumière est caractérisée une fréquence (en s -1 ) = nombre de vibrations par seconde une vitesse : c célérité de la lumière c = m.s -1 une longueur d onde (en m) = distance parcourue par une vibration Lumière = onde (,, et c) 15

16 La lumière : aspect ondulatoire et vibratoire Les différents domaines de longueurs d onde 750 nm Visible : 400 < < 750 nm 16

17 La lumière : aspect ondulatoire et vibratoire Les différents domaines de longueurs d onde Visible : 400 < < 750 nm 17

18 La lumière : aspect corpusculaire Une onde électromagnétique (ou la lumière) transporte de l énergie sous forme de grains d énergie ou de quantums d énergie appelés des photons. (Albert Einstein 1905) Un photon est une particule de masse nulle Un photon Masse nulle Lumière = des photons 18

19 La lumière : dualité onde - corpuscule onde Lumière = onde (,, et c) Louis de Broglie corpuscule Lumière = des photons, grains d énergie ν c λ Un photon Masse nulle Chaque photon transporte l énergie : E photon = h h constante de Planck : h = 6, J.s, = Fréquence de l onde en s -1, et E photon en Joules. 19

20 Définition d un métal Modèle de Drude-Lorentz (1905) 20

21 Définition d un métal Modèle de Drude-Lorentz (1905) Un métal est caractérisé par son travail d extraction électronique relatif à la E extraction + réaction suivante : M (s) M(s) + e (s) signifie à l état solide E extraction signifie travail d extraction électronique 21

22 Définition d un métal Modèle de Drude-Lorentz (1905) Un métal est caractérisé par son travail d extraction électronique relatif à la E extraction + réaction suivante : M (s) M(s) + e (s) signifie à l état solide / E extraction signifie travail d extraction électronique E extraction = h 0 où 0 est la fréquence seuil d extraction en s 1, h la constante de Planck h = 6, J.s et E extraction en Joules. 22

23 Définition d un métal Conclusion : L interaction lumière métal correspond à une interaction lumière électrons 23

24 Interaction métal / lumière Un métal soumis à de la lumière Quels sont les phénomènes qui peuvent se passer? 24

25 Interaction métal / lumière Un métal soumis à de la lumière Quels sont les phénomènes qui peuvent se passer? 3 cas suivant les valeurs des énergies 25

26 Interaction métal / lumière ; 1 er cas Un métal soumis à de la lumière Cas 1 : E incidente < E extraction Aucun électron n est extrait du métal. Il ne se passe rien 26

27 Interaction métal / lumière ; 2 ème cas Un métal soumis à de la lumière Cas 2 : E incidente = E extraction Les électrons sont extraits du métal : E extraction + M (s) M(s) + e h = h 0 Donc = 0 La fréquence de l onde incidente est égale à la fréquence seuil du métal 27

28 28

29 Interaction métal / lumière ; 3 ème cas Un métal soumis à de la lumière Cas 3 : Les électrons sont extraits du métal puis sont éjectés avec une vitesse v Bilan énergétique, conservation de l énergie 29

30 Interaction métal / lumière ; 3 ème cas Un métal soumis à de la lumière Cas 3 : Les électrons sont extraits du métal puis sont éjectés avec une vitesse v photon M M + e Transfert un pour un : 30

31 Définition de l effet photoélectrique Définition : émission d électrons par un métal soumis à une onde électromagnétique (lumière, photons) Électrode émettrice ou photocathode lumière U photoélectrique Cellule photoélectrique (sous vide) Électrode collectrice Présence du générateur pour favoriser la circulation des électrons Montage de l expérience de l effet photoélectrique (à savoir!) 31

32 Définition de l effet photoélectrique Définition : émission d électrons par un métal soumis à une onde électromagnétique (lumière, photons) L expérience conduit à 3 cas : < 0 : Intensité est nulle, pas d électrons émis. = 0 : Intensité très faible mais non nulle, des électrons sont émis > 0 : Intensité > 0, des électrons sont émis Montage de l expérience de l effet photoélectrique (à savoir!) 32

33 1 er cas : la fréquence de l onde incidente est inférieure à la fréquence seuil du métal : < 0 I = 0 Intensité est nulle, pas d électrons émis L effet photoélectrique n a pas lieu. 33

34 2 ème cas : la fréquence de l onde incidente est égale à la fréquence seuil du métal : = 0 I > 0 L énergie fournie permet uniquement d extraire les électrons à la surface du métal (mais pas d éjection d électron) Une DDP est créée dans le métal qui provoque une (petite) circulation d électron dans le circuit donc : I 0 (le courant est très faible) L effet photoélectrique a lieu. 0 : fréquence seuil à partir de laquelle l effet photoélectrique se produit. 34

35 3 ème cas : la fréquence de l onde incidente est supérieure à la fréquence seuil du métal : > 0 I > 0 L énergie fournie permet d extraire les électrons à la surface du métal d éjecter les électrons vers le collecteur I 0 L effet photoélectrique a lieu. Bilan énergétique, conservation de l énergie Un photon un électron 35

36 3 ème cas : la fréquence de l onde incidente est supérieure à la fréquence seuil du métal : > 0 L énergie fournie permet d extraire les électrons à la surface du métal d éjecter les électrons vers le collecteur I 0 L effet photoélectrique a lieu. Un photon un électron Bilan énergétique, conservation de l énergie 36

37 intensité et énergie Une intensité d un faisceau est proportionnelle au nombre de particules qui composent le faisceau (Intensité lumineuse nombre de photons) L énergie d un faisceau est proportionnelle à la fréquence des particules qui composent le faisceau (E = h ) L énergie d un faisceau n est pas proportionnelle à l intensité du faisceau L énergie d un faisceau n est pas proportionnelle au nombre de particules 37

38 intensité et énergie Une intensité d un faisceau est proportionnelle au nombre de particules qui composent le faisceau L énergie d un faisceau est proportionnelle à la fréquence des particules qui composent le faisceau L énergie d un faisceau n est pas proportionnelle à l intensité du faisceau L énergie d un faisceau n est pas proportionnelle au nombre de particules Conséquences L augmentation de engendre donc une augmentation de l énergie fournie et par conséquent une augmentation de l énergie cinétique des électrons éjectés du métal. L augmentation de l intensité de la lumière fournie (donc du nombre de photons) engendre une augmentation de l intensité du courant électrique et du nombre d électrons éjectés Un photon un électron 38

39 Applications de l effet photoélectrique Cellules photovoltaïque : produit une intensité électrique en présence de lumière Cellule photosensible : la résistance varie selon l exposition à la lumière. Déclenchement automatique des systèmes d éclairage quand la nuit tombe. Cellule photoélectrique pour l ouverture automatique de portes Refuge du Goûter Mont Blanc 39

40 L essentiel Lumière, caractère dual : définition «ondulatoire» : onde électromagnétique définie par, et c. définition «corspusculaire» : photons, grains d énergie, E photon = h domaine visible 400 < < 750 nm ν c λ 1photon 1 électron Effet photoélectrique si > 0, les électrons sont éjectés avec une énergie cinétique Ec. Conservation de l énergie : 1 2 hν hν0 m e.v 2 Effet photoélectrique Effet photoélectrique généralisable aux vapeur de gaz (au lieu de métaux) = photoionisation Pas d effet photoélectrique pour < 0, I = 0 car E fournie < E xtraction = h 0 Effet photoélectrique très petit pour = 0, I 0, E fournie = E extraction = h 0 et E cinétique = 0 lien intensité fournie intensité électrique et fréquence fournie énergie cinétique. 40

41 Ce qu il faut savoir 1. Définir les termes : effet photoélectrique, fréquence seuil, contre-tension, énergie d extraction 2. Connaître l intervalle de longueurs d ondes du domaine du visible. 3. Représenter et exposer le principe de l effet photoélectrique et rappeler les conditions requises pour observer ce phénomène physique. 4. Connaître les équations de conservation de l énergie, de l énergie du photon en fonction de la fréquence de l onde et l équation de la fréquence en fonction de la longueur d onde et de la célérité. 5. Utiliser l équation de conservation de la matière pour calculer une fréquence seuil, une énergie d extraction ou une vitesse des électrons émis. 6. Trouver la valeur de la contre-tension connaissant l énergie cinétique des électrons et inversement 7. Nommer des exemples d application de l effet photoélectrique. 41