Effet photoélectrique
Siècle 19Edit
En 1839, Alexandre Edmond Becquerel découvre l’effet photovoltaïque en étudiant l’effet de la lumière sur les cellules électrolytiques. Bien qu’ils ne soient pas équivalents à l’effet photoélectrique, ses travaux sur le photovoltaïque ont contribué à montrer une forte relation entre la lumière et les propriétés électroniques des matériaux. En 1873, Willoughby Smith a découvert la photoconductivité dans le sélénium alors qu’il testait le métal pour ses propriétés de haute résistance en liaison avec ses travaux impliquant des câbles télégraphiques sous-marins.
Johann Elster (1854-1920) et Hans Geitel (1855-1923), étudiants à Heidelberg, ont étudié les effets produits par la lumière sur les corps électrifiés et ont développé les premières cellules photoélectriques pratiques qui pouvaient être utilisées pour mesurer l’intensité de la lumière.Ils ont classé les métaux en fonction de leur capacité à décharger de l’électricité négative : rubidium, potassium, alliage de potassium et de sodium, sodium, lithium, magnésium, thallium et zinc ; pour le cuivre, le platine, le plomb, le fer, le cadmium, le carbone et le mercure, les effets de la lumière ordinaire étaient trop faibles pour être mesurables. L’ordre des métaux pour cet effet était le même que dans la série de Volta pour l’électricité de contact, les métaux les plus électropositifs donnant l’effet photoélectrique le plus important.
En 1887, Heinrich Hertz observe l’effet photoélectrique et rend compte de la production et de la réception d’ondes électromagnétiques. Le récepteur de son appareil était constitué d’une bobine avec un éclateur, où l’on pouvait voir une étincelle lors de la détection des ondes électromagnétiques. Il a placé l’appareil dans une boîte sombre pour mieux voir l’étincelle. Cependant, il a remarqué que la longueur maximale de l’étincelle était réduite à l’intérieur de la boîte. Un panneau de verre placé entre la source d’ondes électromagnétiques et le récepteur absorbait le rayonnement ultraviolet qui aidait les électrons à franchir l’espace. Lorsqu’il est retiré, la longueur de l’étincelle augmente. Il n’observa aucune diminution de la longueur de l’étincelle lorsqu’il remplaça le verre par du quartz, le quartz n’absorbant pas les rayons ultraviolets.
Les découvertes de Hertz conduisirent à une série d’investigations de Hallwachs, Hoor, Righi et Stoletov sur l’effet de la lumière, et notamment de la lumière ultraviolette, sur les corps chargés. Hallwachs a relié une plaque de zinc à un électroscope. Il a laissé la lumière ultraviolette tomber sur une plaque de zinc fraîchement nettoyée et a observé que la plaque de zinc devenait non chargée si elle était initialement chargée négativement, chargée positivement si elle était initialement non chargée, et plus chargée positivement si elle était initialement chargée positivement. De ces observations, il a conclu que certaines particules chargées négativement étaient émises par la plaque de zinc lorsqu’elle était exposée à la lumière ultraviolette.
En ce qui concerne l’effet Hertz, les chercheurs ont dès le départ montré la complexité du phénomène de fatigue photoélectrique – la diminution progressive de l’effet observé sur des surfaces métalliques fraîches. Selon Hallwachs, l’ozone jouait un rôle important dans le phénomène, et l’émission était influencée par l’oxydation, l’humidité et le degré de polissage de la surface. À l’époque, il n’était pas clair si la fatigue est absente dans le vide.
Dans la période allant de 1888 à 1891, une analyse détaillée du photoeffet a été réalisée par Aleksandr Stoletov avec des résultats rapportés dans six publications. Stoletov a inventé un nouveau dispositif expérimental qui était plus adapté à une analyse quantitative du photoeffet. Il a découvert une proportionnalité directe entre l’intensité de la lumière et le courant photoélectrique induit (la première loi du photoeffet ou loi de Stoletov). Il a mesuré la dépendance de l’intensité du courant photoélectrique par rapport à la pression du gaz, où il a constaté l’existence d’une pression de gaz optimale correspondant à un photocourant maximal ; cette propriété a été utilisée pour la création de cellules solaires.
De nombreuses substances autres que les métaux déchargent de l’électricité négative sous l’action de la lumière ultraviolette. G. C. Schmidt et O. Knoblauch ont dressé une liste de ces substances.
En 1899, J. J. Thomson a étudié la lumière ultraviolette dans des tubes de Crookes. Thomson en déduit que les particules éjectées, qu’il appelle corpuscules, sont de même nature que les rayons cathodiques. Ces particules furent plus tard connues sous le nom d’électrons. Thomson enferma une plaque métallique (une cathode) dans un tube à vide, et l’exposa à un rayonnement à haute fréquence. Il pensait que les champs électromagnétiques oscillants faisaient résonner le champ des atomes et, après avoir atteint une certaine amplitude, provoquaient l’émission d’un corpuscule subatomique et la détection d’un courant. La quantité de ce courant variait en fonction de l’intensité et de la couleur du rayonnement. Une plus grande intensité ou fréquence de rayonnement produisait plus de courant.
Durant les années 1886-1902, Wilhelm Hallwachs et Philipp Lenard ont étudié en détail le phénomène d’émission photoélectrique. Lenard a observé qu’un courant circule dans un tube de verre sous vide enfermant deux électrodes lorsque le rayonnement ultraviolet tombe sur l’une d’entre elles. Dès que le rayonnement ultraviolet s’arrête, le courant s’arrête également. C’est ainsi qu’est né le concept d’émission photoélectrique. La découverte de l’ionisation des gaz par la lumière ultraviolette a été faite par Philipp Lenard en 1900. Comme l’effet se produisait sur plusieurs centimètres d’air et donnait un plus grand nombre d’ions positifs que négatifs, il était naturel d’interpréter le phénomène, comme l’a fait J. J. Thomson, comme un effet de Hertz sur les particules présentes dans le gaz.
Vingtième siècleModification
En 1902, Lenard a observé que l’énergie des électrons individuels émis augmentait avec la fréquence (qui est liée à la couleur) de la lumière. Cela semblait être en contradiction avec la théorie ondulatoire de la lumière de Maxwell, qui prédisait que l’énergie des électrons serait proportionnelle à l’intensité du rayonnement.
Lenard a observé la variation de l’énergie des électrons avec la fréquence de la lumière en utilisant une lampe à arc électrique puissante qui lui permettait d’étudier de grands changements d’intensité, et qui avait une puissance suffisante pour lui permettre d’étudier la variation du potentiel de l’électrode avec la fréquence de la lumière. Il a trouvé l’énergie des électrons en la mettant en relation avec le potentiel d’arrêt maximal (tension) dans un phototube. Il a découvert que l’énergie cinétique maximale de l’électron est déterminée par la fréquence de la lumière. Par exemple, une augmentation de la fréquence entraîne une augmentation de l’énergie cinétique maximale calculée pour un électron lors de sa libération – le rayonnement ultraviolet nécessiterait un potentiel d’arrêt appliqué plus élevé que la lumière bleue pour arrêter le courant dans un phototube. Cependant, les résultats de Lenard étaient plus qualitatifs que quantitatifs en raison de la difficulté à réaliser les expériences : les expériences devaient être réalisées sur du métal fraîchement coupé afin d’observer le métal pur, mais celui-ci s’oxydait en quelques minutes même dans les vides partiels qu’il utilisait. Le courant émis par la surface était déterminé par l’intensité de la lumière, ou luminosité : doubler l’intensité de la lumière doublait le nombre d’électrons émis par la surface.
Les recherches de Langevin et celles d’Eugène Bloch ont montré que la plus grande partie de l’effet Lenard est certainement due à l’effet Hertz. L’effet Lenard sur le gaz lui-même existe néanmoins. Refondée par J. J. Thomson puis de manière plus décisive par Frederic Palmer, Jr, la photoémission gazeuse a été étudiée et a montré des caractéristiques très différentes de celles qui lui avaient été d’abord attribuées par Lenard.
En 1900, alors qu’il étudiait le rayonnement du corps noir, le physicien allemand Max Planck a suggéré dans son article « On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum » que l’énergie portée par les ondes électromagnétiques ne pouvait être libérée que par paquets d’énergie. En 1905, Albert Einstein a publié un article avançant l’hypothèse que l’énergie lumineuse est transportée en paquets quantifiés discrets pour expliquer les données expérimentales de l’effet photoélectrique. Einstein a théorisé que l’énergie de chaque quantum de lumière était égale à la fréquence de la lumière multipliée par une constante, appelée plus tard constante de Planck. Un photon au-dessus d’une fréquence seuil possède l’énergie nécessaire pour éjecter un seul électron, créant ainsi l’effet observé. Il s’agit d’une étape clé dans le développement de la mécanique quantique. En 1914, l’expérience de Millikan confirme le modèle d’effet photoélectrique d’Einstein. Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour « sa découverte de la loi de l’effet photoélectrique », et Robert Millikan a reçu le prix Nobel en 1923 pour « ses travaux sur la charge élémentaire de l’électricité et sur l’effet photoélectrique ». Dans la théorie des perturbations quantiques des atomes et des solides agis par le rayonnement électromagnétique, l’effet photoélectrique est encore couramment analysé en termes d’ondes ; les deux approches sont équivalentes car l’absorption de photons ou d’ondes ne peut se produire qu’entre des niveaux d’énergie quantifiés dont la différence d’énergie est celle de l’énergie du photon.
La description mathématique d’Albert Einstein de la façon dont l’effet photoélectrique était causé par l’absorption de quanta de lumière se trouvait dans l’un de ses papiers Annus Mirabilis, nommé « On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light ». Cet article proposait une description simple des quanta de lumière, ou photons, et montrait comment ils expliquaient des phénomènes tels que l’effet photoélectrique. Son explication simple en termes d’absorption de quanta de lumière discrets était en accord avec les résultats expérimentaux. Elle expliquait pourquoi l’énergie des photoélectrons ne dépendait que de la fréquence de la lumière incidente et non de son intensité : à faible intensité, la source haute fréquence pouvait fournir quelques photons de haute énergie, alors qu’à forte intensité, la source basse fréquence ne fournissait aucun photon d’énergie individuelle suffisante pour déloger des électrons. Il s’agissait d’un saut théorique énorme, mais le concept a d’abord rencontré une forte résistance car il contredisait la théorie ondulatoire de la lumière qui découlait naturellement des équations de l’électromagnétisme de James Clerk Maxwell et, plus généralement, l’hypothèse de la divisibilité infinie de l’énergie dans les systèmes physiques. Même après que des expériences aient montré que les équations d’Einstein pour l’effet photoélectrique étaient exactes, la résistance à l’idée de photons a persisté.
Les travaux d’Einstein ont prédit que l’énergie des électrons individuels éjectés augmente linéairement avec la fréquence de la lumière. De manière peut-être surprenante, la relation précise n’avait pas été testée à l’époque. En 1905, on savait que l’énergie des photoélectrons augmentait avec la fréquence de la lumière incidente et était indépendante de l’intensité de la lumière. Cependant, le mode d’augmentation n’a pas été déterminé expérimentalement avant 1914, lorsque Robert Andrews Millikan a montré que la prédiction d’Einstein était correcte.
L’effet photoélectrique a contribué à propulser le concept alors émergent de la dualité onde-particule dans la nature de la lumière. La lumière possède simultanément les caractéristiques des ondes et des particules, chacune se manifestant selon les circonstances. L’effet était impossible à comprendre en termes de description ondulatoire classique de la lumière, car l’énergie des électrons émis ne dépendait pas de l’intensité du rayonnement incident. La théorie classique prévoyait que les électrons » accumulaient » de l’énergie pendant un certain temps, puis étaient émis.