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Terminale · Physique-Chimie
Chapitre 17

Interaction
lumière-matière

L'effet photoélectrique révèle la nature corpusculaire de la lumière : la lumière est un flux de photons. De la relation de Planck-Einstein aux cellules photovoltaïques, des DEL à la spectroscopie — un chapitre au carrefour de la physique quantique et de ses applications.

Photon · Effet photoélectrique Relation de Planck Travail d'extraction Cellule photovoltaïque DEL · Spectroscopie
I

L'effet photoélectrique : la nature corpusculaire de la lumière

Définition · Effet photoélectrique

Émission d'électrons par un matériau (généralement un métal) lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisante — indépendamment de l'intensité du rayonnement.

Observation (Hertz & Becquerel, fin XIXe) : des électrons sont arrachés d'une plaque métallique sous certaines conditions d'éclairage. Problème : le modèle ondulatoire classique ne peut pas expliquer pourquoi l'émission dépend de la fréquence et non de l'intensité.

Interprétation d'Einstein (1905, prix Nobel 1921) : la lumière n'est pas une onde continue, mais un flux de particules d'énergie appelées photons. L'effet photoélectrique ne peut s'expliquer qu'avec le modèle particulaire.

Relation de Planck-Einstein

L'énergie $E$ d'un photon est directement proportionnelle à la fréquence $\nu$ du rayonnement :

Énergie d'un photon
$$E = h \nu$$
$h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \text{J·s}$ : constante de Planck · $\nu$ : fréquence du rayonnement (Hz) · $E$ en joules (J)

Travail d'extraction et fréquence seuil

Le travail d'extraction $W_{ext}$ est l'énergie minimale qu'il faut fournir à un électron pour l'arracher du métal. Il est propre au matériau et exprimé en joules ou en électronvolts (eV).

L'effet photoélectrique ne se produit qu'à partir d'une fréquence seuil $\nu_S$, quelle que soit l'intensité du rayonnement :

Fréquence seuil
$$W_{ext} = h \nu_S \quad \Rightarrow \quad \nu_S = \frac{W_{ext}}{h}$$
Condition d'émission : $\nu > \nu_S$
Bilan énergétique
$$E_C = h\nu - W_{ext} = h(\nu - \nu_S)$$
$E_C$ : énergie cinétique de l'électron émis (J) · valable si $\nu > \nu_S$
✦ À retenir — Résumé de l'effet photoélectrique
  • Si $\nu < \nu_S$ : aucun électron émis, quelle que soit l'intensité de la lumière.
  • Si $\nu = \nu_S$ : électron émis avec vitesse nulle ($E_C = 0$).
  • Si $\nu > \nu_S$ : électron émis avec énergie cinétique $E_C = h(\nu - \nu_S)$.
  • L'intensité lumineuse n'influe que sur le nombre d'électrons émis, pas sur leur énergie cinétique.
Unité pratique — l'électronvolt (eV)

Les travaux d'extraction sont souvent exprimés en électronvolts : $1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Par exemple, pour le sodium : $W_{ext} \approx 2{,}3\ \text{eV} = 3{,}68 \times 10^{-19}\ \text{J}$.

Activités 1 & 2 p.510–511 Ex. 29 p.524 Ex. 31 p.524 Ex. 34–35 p.524 Ex. 36 p.525
II

Structure en bandes d'énergie dans les solides

Dans un solide, l'énergie des électrons est quantifiée. Les niveaux d'énergie autorisés se regroupent en bandes séparées par des bandes interdites.

Bande de valence

Bande occupée par les électrons à l'état fondamental (énergie minimale). Le courant ne peut circuler que si des électrons atteignent la bande de conduction — là où ils peuvent se déplacer librement.

Gap (bande interdite) $\Delta E$

Écart d'énergie entre le sommet de la bande de valence et le bas de la bande de conduction. Il détermine le comportement électrique du matériau. Si un photon apporte une énergie $h\nu \geq \Delta E$, un électron peut passer dans la bande de conduction.

🔗
Conducteur
Bande de valence et de conduction se chevauchent ($\Delta E = 0$). Les électrons circulent librement. Ex : cuivre, aluminium.
☀️
Semi-conducteur
Gap faible ($\Delta E \approx 1\ \text{eV}$). Un photon visible peut faire franchir le gap à un électron. Ex : silicium — base des cellules photovoltaïques.
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Isolant
Gap élevé ($\Delta E > 6\ \text{eV}$). Les électrons ne peuvent pas passer d'une bande à l'autre dans les conditions normales. Ex : verre, plastique.
Révisions p.508–509
III

Applications de l'interaction lumière-matière

Cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique. Un photon d'énergie $h\nu \geq \Delta E$ est absorbé par le semi-conducteur, faisant passer un électron en bande de conduction. Un champ électrique interne sépare les charges et génère un courant.

Rendement d'une cellule photovoltaïque
$$\eta = \frac{P_{él}}{P_{lum}} = \frac{P_{él}}{\varepsilon \times S}$$
$\eta$ : rendement (sans unité, souvent en %) · $P_{él}$ : puissance électrique produite (W) · $\varepsilon$ : éclairement (W·m⁻²) · $S$ : surface de la cellule (m²)

Diode électroluminescente (DEL / LED)

La DEL réalise le processus inverse de la cellule photovoltaïque : conversion d'énergie électrique en lumière. Un électron de la bande de conduction tombe dans la bande de valence — cette diminution de niveau d'énergie $\Delta E$ s'accompagne de l'émission d'un photon de fréquence $\nu = \Delta E / h$. La couleur dépend du matériau semi-conducteur utilisé.

Spectroscopie

Les niveaux d'énergie des atomes et molécules sont quantifiés. Un photon est absorbé (ou émis) si son énergie correspond exactement à la différence entre deux niveaux autorisés :

Transition entre niveaux d'énergie
$$\Delta E_{12} = E_1 - E_2 = h\nu$$
$E_1 > E_2$ · Absorption si le photon fait monter l'atome vers $E_1$ · Émission lors du retour vers $E_2$
✦ À retenir — Spectroscopie IR et UV-visible
  • UV-visible (lumière-atome) : transitions entre niveaux électroniques — identification des éléments par leurs raies d'absorption ou d'émission.
  • IR (lumière-molécule) : transitions entre niveaux vibrationnels des liaisons chimiques — identification de groupes fonctionnels en chimie organique.
  • Chaque spectre est une empreinte digitale unique de l'espèce chimique.
Ex. 25 p.521 Ex. 34–35 p.524 Ex. 40 p.525 Ex. 41 p.526

Ressources vidéo

Capsule cours
L'effet photoélectrique
Présentation de l'expérience historique, pourquoi le modèle ondulatoire échoue, et comment Einstein l'interprète avec les photons. Relation $E = h\nu$ et bilan énergétique.
Applications
Cellule photovoltaïque et DEL
Structure en bandes d'un semi-conducteur, fonctionnement d'une cellule photovoltaïque et d'une DEL. Calcul du rendement et applications industrielles.
Schéma animé · Hatier
Schéma animé — Interaction lumière-matière
Animation officielle du manuel Hatier Terminale illustrant les mécanismes de l'effet photoélectrique, la structure en bandes et les transitions énergétiques.