Effet photoélectrique

L'étude de la lumière est au cœur des plus grandes découvertes scientifiques. Pendant des siècles, l'homme étudie les effets de la lumière sans en comprendre les causes et moins encore sa nature. Comment voyons-nous ? Comment se propage la lumière et dans quel milieu ? Se propage-t-elle de façon instantanée ? Sinon, quelle est la vitesse de la lumière ? Est-ce une onde ou des particules ? C'est justement à cette dernière question que répond cette expérience de l'effet photoélectrique.

• Années 1670 : Huygens explique les lois de la diffraction selon un modèle ondulatoire ;
• Années 1700 : Newton décompose la lumière blanche et affirme que la lumière est un flux de particules en mouvement ;
• Années 1840 : Becquerel et Faraday découvrent des interactions entre matière et lumière 
• Années 1860 : Maxwell découvre la nature électromagnétique de la lumière et établit l'équation d'une onde se propageant à la vitesse de 300 000 km.s^-1.;
• Années 1880 : Heinrich Hertz enfonce le clou du côté ondulatoire en générant pour la première fois des ondes électromagnétiques (ondes radio).

L'expérience traitant de l'effet photoélectrique pose un problème que la théorie ondulatoire de la lumière ne parvient pas à expliquer. Pour cette expérience, on éclaire une plaque métallique (la cathode). Dans certaines conditions, on réceptionne sur une autre plaque (l'anode) les électrons arrachés à la cathode. Un courant circule, mesurable avec un ampèremètre. Si la lumière est une onde, les travaux de Maxwell et Hertz imposent qu'en augmentant l'intensité du champ électrique (amplitude de l'onde), plus d'électrons seraient arrachés. Un courant plus intense serait mesuré.

Or ce n'est pas du tout ce qui se passe. C'est la fréquence de l'onde incidente qui agit sur ce courant. En dessous d'une fréquence seuil, aucun électron n'est arraché, quelle que soit l'intensité de la lumière.

• Années 1900 : à partir des travaux de Max Planck sur le corps noir et l'interaction entre matière chauffée et émission de lumière, Einstein explique l'effet photoélectrique en considérant la lumière comme un jet de corpuscules qu'il nomme « photon ». Chaque photon possède une quantité d'énergie (quanta) dont l'énergie (E) est proportionnelle à la fréquence (ν) selon la loi de Planck : E = hν  (h est une constante qui vaut 6,626.10^-34 J.s).

L'énergie de sortie (Φ) est l'énergie permettant d'extraire un électron de la cathode. Il existe donc une fréquence seuil ν₀ en-dessous de laquelle aucun photon ne pourra arracher d'électron. Quelle que soit l'intensité de la source, pour de tels photons, il ne circulera jamais de courant. Par contre, pour un photon ayant une fréquence ν > ν₀ , un électron sera arraché et il disposera même d'une énergie cinétique correspondant à la différence hν - hν₀ . La différence de potentiel U appliquée entre la cathode et l'anode sert juste à accélérer (ou freiner) ces électrons arrachés à la cathode.

Einstein reçoit le prix Nobel en 1921 pour ses explications de l'effet photoélectrique. Il faut bien saisir le côté contre-intuitif de cette découverte qui affirme que la lumière est à la fois une onde et une particule et que certains phénomènes ne s'expliquent que par l'un ou par l'autre de ces aspects.