Effet photoélectrique - Photoelectric effect

L'émission d'électrons à partir d'une plaque métallique causée par des quanta de lumière - photons.

L' effet photoélectrique est l'émission d' électrons lorsqu'un rayonnement électromagnétique , tel que la lumière , frappe un matériau. Les électrons émis de cette manière sont appelés photoélectrons. Le phénomène est étudié en physique de la matière condensée et en chimie de l' état solide et quantique pour tirer des conclusions sur les propriétés des atomes, des molécules et des solides. L'effet a trouvé une utilisation dans les appareils électroniques spécialisés pour la détection de la lumière et l'émission d'électrons précisément chronométrée.

Les résultats expérimentaux sont en désaccord avec l'électromagnétisme classique , qui prédit que les ondes lumineuses continues transfèrent de l' énergie aux électrons, qui seraient ensuite émis lorsqu'ils accumuleraient suffisamment d'énergie. Une modification de l' intensité de la lumière modifierait théoriquement l'énergie cinétique des électrons émis, avec une lumière suffisamment faible entraînant une émission retardée. Les résultats expérimentaux montrent plutôt que les électrons ne sont délogés que lorsque la lumière dépasse une certaine fréquence, quelle que soit l'intensité de la lumière ou la durée d'exposition. Parce qu'un faisceau basse fréquence à haute intensité ne pouvait pas accumuler l'énergie nécessaire pour produire des photoélectrons, comme il l'aurait fait si l'énergie de la lumière provenait d'une onde continue, Albert Einstein a proposé qu'un faisceau de lumière n'est pas une onde se propageant dans l'espace , mais un essaim de paquets d'énergie discrets, appelés photons .

L'émission d'électrons de conduction à partir de métaux typiques nécessite quelques quanta de lumière électron-volt (eV), correspondant à la lumière visible ou ultraviolette à courte longueur d'onde. Dans les cas extrêmes, les émissions sont induites avec des photons approchant l'énergie nulle, comme dans les systèmes à affinité électronique négative et l'émission à partir d'états excités, ou quelques centaines de photons de keV pour les électrons du coeur dans les éléments à numéro atomique élevé . L'étude de l'effet photoélectrique a conduit à des étapes importantes dans la compréhension de la nature quantique de la lumière et des électrons et a influencé la formation du concept de dualité onde-particule . D'autres phénomènes où la lumière affecte le mouvement des charges électriques comprennent l' effet photoconducteur , l' effet photovoltaïque et l' effet photoélectrochimique .

Mécanisme d'émission

Les photons d'un faisceau lumineux ont une énergie caractéristique, appelée énergie photonique , qui est proportionnelle à la fréquence de la lumière. Dans le processus de photoémission, lorsqu'un électron dans un matériau absorbe l'énergie d'un photon et acquiert plus d'énergie que son énergie de liaison , il est susceptible d'être éjecté. Si l'énergie du photon est trop faible, l'électron est incapable de s'échapper du matériau. Étant donné qu'une augmentation de l'intensité de la lumière à basse fréquence ne fera qu'augmenter le nombre de photons de faible énergie, ce changement d'intensité ne créera aucun photon avec suffisamment d'énergie pour déloger un électron. De plus, l'énergie des électrons émis ne dépendra pas de l'intensité de la lumière entrante d'une fréquence donnée, mais uniquement de l'énergie des photons individuels.

Alors que les électrons libres peuvent absorber n'importe quelle énergie lorsqu'ils sont irradiés tant que cela est suivi d'une réémission immédiate, comme dans l' effet Compton , dans les systèmes quantiques, toute l'énergie d'un photon est absorbée - si le processus est autorisé par la mécanique quantique - ou pas du tout. Une partie de l'énergie acquise est utilisée pour libérer l'électron de sa liaison atomique, et le reste contribue à l' énergie cinétique de l'électron en tant que particule libre. Parce que les électrons dans un matériau occupent de nombreux états quantiques différents avec différentes énergies de liaison, et parce qu'ils peuvent supporter des pertes d'énergie lors de leur sortie du matériau, les électrons émis auront une gamme d'énergies cinétiques. Les électrons des états les plus occupés auront l'énergie cinétique la plus élevée. Dans les métaux, ces électrons seront émis par le niveau de Fermi .

Lorsque le photoélectron est émis dans un solide plutôt que dans le vide, le terme photoémission interne est souvent utilisé, et l'émission dans le vide est distinguée comme photoémission externe .

Observation expérimentale de l'émission photoélectrique

Même si la photoémission peut se produire à partir de n'importe quel matériau, elle est plus facilement observée à partir de métaux et d'autres conducteurs. En effet, le processus produit un déséquilibre de charge qui, s'il n'est pas neutralisé par le flux de courant, entraîne une augmentation de la barrière de potentiel jusqu'à ce que l'émission cesse complètement. La barrière énergétique à la photoémission est généralement augmentée par les couches d'oxyde non conductrices sur les surfaces métalliques, de sorte que la plupart des expériences pratiques et des dispositifs basés sur l'effet photoélectrique utilisent des surfaces métalliques propres dans des tubes sous vide. Le vide aide également à observer les électrons car il empêche les gaz d'entraver leur écoulement entre les électrodes.

Comme la lumière du soleil, en raison de l'absorption de l'atmosphère, ne fournit pas beaucoup de lumière ultraviolette, la lumière riche en rayons ultraviolets était obtenue en brûlant du magnésium ou à partir d'une lampe à arc . A l'heure actuelle, les lampes à vapeur de mercure , la décharge de gaz noble lampes UV et le plasma radio-fréquence sources lasers ultraviolets et synchrotron dispositif d'insertion sources de lumière prévalent.

Schéma de l'expérience pour démontrer l'effet photoélectrique. Une lumière monochromatique filtrée d'une certaine longueur d'onde frappe l'électrode émettrice (E) à l'intérieur d'un tube à vide. L'électrode collectrice (C) est polarisée à une tension V C qui peut être réglée pour attirer les électrons émis, lorsqu'ils sont positifs, ou empêcher l'un d'eux d'atteindre le collecteur lorsqu'ils sont négatifs.

Le montage classique pour observer l'effet photoélectrique comprend une source lumineuse, un ensemble de filtres pour monochromatiser la lumière, un tube à vide transparent à la lumière ultraviolette, une électrode émettrice (E) exposée à la lumière, et un collecteur (C) dont la tension V C peut être contrôlé de l'extérieur.

Une tension externe positive est utilisée pour diriger les électrons photoémis sur le collecteur. Si la fréquence et l'intensité du rayonnement incident sont fixes, le courant photoélectrique I augmente avec une augmentation de la tension positive, car de plus en plus d'électrons sont dirigés sur l'électrode. Lorsqu'aucun photoélectron supplémentaire ne peut être collecté, le courant photoélectrique atteint une valeur de saturation. Ce courant ne peut qu'augmenter avec l'augmentation de l'intensité lumineuse.

Une tension négative croissante empêche tous les électrons, sauf les plus énergétiques, d'atteindre le collecteur. Lorsqu'aucun courant n'est observé dans le tube, la tension négative a atteint la valeur suffisamment élevée pour ralentir et arrêter les photoélectrons les plus énergétiques d'énergie cinétique K max . Cette valeur de la tension de freinage est appelé le potentiel d' arrêt ou coupure potentiel V o . Puisque le travail effectué par le potentiel retardateur pour arrêter l'électron de charge e est eV o , ce qui suit doit être eV o  =  K max.

La courbe courant-tension est sigmoïde, mais sa forme exacte dépend de la géométrie expérimentale et des propriétés du matériau de l'électrode.

Pour une surface métallique donnée, il existe une certaine fréquence minimale de rayonnement incident en dessous de laquelle aucun photoélectron n'est émis. Cette fréquence est appelée fréquence seuil . L'augmentation de la fréquence du faisceau incident augmente l'énergie cinétique maximale des photoélectrons émis, et la tension d'arrêt doit augmenter. Le nombre d'électrons émis peut également changer car la probabilité que chaque photon aboutisse à un électron émis est fonction de l'énergie du photon.

Une augmentation de l'intensité de la même lumière monochromatique (tant que l'intensité n'est pas trop élevée), qui est proportionnelle au nombre de photons frappant la surface dans un temps donné, augmente la vitesse à laquelle les électrons sont éjectés - le photoélectrique courant I— mais l'énergie cinétique des photoélectrons et la tension d'arrêt restent les mêmes. Pour un métal et une fréquence de rayonnement incident donnés, la vitesse à laquelle les photoélectrons sont éjectés est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente.

Le décalage temporel entre l'incidence du rayonnement et l'émission d'un photoélectron est très faible, inférieur à 10 -9 seconde. La distribution angulaire des photoélectrons dépend fortement de la polarisation (la direction du champ électrique) de la lumière incidente, ainsi que des propriétés quantiques du matériau émetteur telles que les symétries orbitales atomiques et moléculaires et la structure de bande électronique des solides cristallins. Dans les matériaux sans ordre macroscopique, la distribution des électrons a tendance à culminer dans la direction de polarisation de la lumière polarisée linéairement. La technique expérimentale qui peut mesurer ces distributions pour déduire les propriétés du matériau est la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire .

Explication théorique

Diagramme de l'énergie cinétique maximale en fonction de la fréquence de la lumière sur le zinc.

En 1905, Einstein a proposé une théorie de l'effet photoélectrique en utilisant un concept avancé pour la première fois par Max Planck selon lequel la lumière se compose de minuscules paquets d'énergie appelés photons ou quanta de lumière. Chaque paquet transporte une énergie proportionnelle à la fréquence de l'onde électromagnétique correspondante. La constante de proportionnalité est devenue la constante de Planck . L' énergie cinétique maximale des électrons qui ont reçu autant d'énergie avant d'être retirés de leur liaison atomique est

où est l'énergie minimale requise pour retirer un électron de la surface du matériau. C'est ce qu'on appelle le travail de sortie de la surface et est parfois noté ou . Si la fonction de travail est écrite comme
la formule de l' énergie cinétique maximale des électrons éjectés devient

L'énergie cinétique est positive et est nécessaire pour que l'effet photoélectrique se produise. La fréquence est la fréquence de seuil pour le matériau donné. Au-dessus de cette fréquence, l'énergie cinétique maximale des photoélectrons ainsi que la tension d'arrêt dans l'expérience augmentent linéairement avec la fréquence et ne dépendent pas du nombre de photons et de l'intensité de la lumière monochromatique incidente. La formule d'Einstein, aussi simple soit-elle, expliquait toute la phénoménologie de l'effet photoélectrique et eut des conséquences de grande envergure dans le

développement de la mécanique quantique .

Photoémission d'atomes, de molécules et de solides

Les électrons qui sont liés dans les atomes, les molécules et les solides occupent chacun des états distincts d' énergies de liaison bien définies . Lorsque les quanta de lumière fournissent plus que cette quantité d'énergie à un électron individuel, l'électron peut être émis dans l'espace libre avec un excès d'énergie (cinétique) supérieur à l'énergie de liaison de l'électron. La répartition des énergies cinétiques reflète ainsi la répartition des énergies de liaison des électrons dans le système atomique, moléculaire ou cristallin : un électron émis depuis l'état à énergie de liaison se retrouve à énergie cinétique . Cette distribution est l'une des principales caractéristiques du système quantique et peut être utilisée pour d'autres études en chimie quantique et en physique quantique.

Modèles de photoémission des solides

Les propriétés électroniques des solides cristallins ordonnés sont déterminées par la distribution des états électroniques par rapport à l'énergie et à la quantité de mouvement - la structure de bande électronique du solide. Les modèles théoriques de photoémission des solides montrent que cette distribution est en grande partie conservée dans l'effet photoélectrique. Le modèle phénoménologique en

trois étapes pour l'excitation des rayons ultraviolets et des rayons X mous décompose l'effet en ces étapes :
  1. Effet photoélectrique interne dans la masse du matériau qui est une transition optique directe entre un état électronique occupé et un état électronique inoccupé. Cet effet est soumis à des règles de sélection de la mécanique quantique pour les transitions dipolaires. Le trou laissé derrière l'électron peut donner lieu à une émission d'électrons secondaires, appelée effet Auger , qui peut être visible même lorsque le photoélectron primaire ne quitte pas le matériau. Dans les solides moléculaires, les phonons sont excités au cours de cette étape et peuvent être visibles sous forme de lignes satellites dans l'énergie finale des électrons.
  2. Propagation des électrons vers la surface dans laquelle certains électrons peuvent être dispersés en raison d'interactions avec d'autres constituants du solide. Les électrons qui proviennent plus profondément dans le solide sont beaucoup plus susceptibles de subir des collisions et d'émerger avec une énergie et une quantité de mouvement altérées. Leur libre parcours moyen est une courbe universelle dépendant de l'énergie de l'électron.
  3. Les électrons s'échappent à travers la barrière de surface dans des états du vide semblables à des électrons libres. Dans cette étape, l'électron perd de l'énergie dans la quantité du travail de sortie de la surface , et souffre de la perte de quantité de mouvement dans la direction perpendiculaire à la surface. Parce que l'énergie de liaison des électrons dans les solides est commodément exprimée par rapport à l'état occupé le plus élevé à l'énergie de Fermi , et la différence avec l' énergie de l'espace libre (vide) est la fonction de travail de la surface, l'énergie cinétique des électrons émis des solides est généralement écrit comme .

Il existe des cas où le modèle en trois étapes ne parvient pas à expliquer les particularités des distributions d'intensité des photoélectrons. Le modèle en une étape plus élaboré traite l'effet comme un processus cohérent de photoexcitation dans l'état final d'un cristal fini pour lequel la fonction d'onde est semblable à celle d'un électron libre à l'extérieur du cristal, mais a une enveloppe en décomposition à l'intérieur.

Histoire

19ème siècle

En 1839, Alexandre Edmond Becquerel découvre l' effet photovoltaïque en étudiant l'effet de la lumière sur les cellules électrolytiques . Bien que n'étant pas équivalent à l'effet photoélectrique, ses travaux sur le photovoltaïque ont contribué à montrer une relation étroite entre la lumière et les propriétés électroniques des matériaux. En 1873, Willoughby Smith a découvert la photoconductivité dans le sélénium tout en testant le métal pour ses propriétés de haute résistance en conjonction 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 pourraient être utilisées pour mesurer l'intensité de la lumière. Ils rangeaient les métaux selon leur pouvoir de 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 avec 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 le plus grand effet photo-électrique.

L' électroscope à la feuille d'or pour démontrer l'effet photoélectrique. Lorsque l'électroscope est chargé négativement, il y a un excès d'électrons et les feuilles sont séparées. Si une courte longueur d'onde, une lumière à haute fréquence (telle que la lumière ultraviolette obtenue à partir d'une lampe à arc , ou en brûlant du magnésium, ou en utilisant une bobine d'induction entre les bornes de zinc ou de cadmium pour produire des étincelles) brille sur le capuchon, l'électroscope se décharge et le les feuilles tombent molles. Si, cependant, la fréquence des ondes lumineuses est inférieure à la valeur seuil pour le capuchon, les feuilles ne se déchargeront pas, peu importe combien de temps on éclaire le capuchon.

En 1887, Heinrich Hertz a observé l'effet photoélectrique et a rendu compte de la production et de la réception des ondes électromagnétiques. Le récepteur de son appareil consistait en une bobine avec un éclateur , où une étincelle serait vue lors de la détection d'ondes électromagnétiques. Il a placé l'appareil dans une boîte sombre pour mieux voir l'étincelle. Cependant, il a remarqué que la longueur d'étincelle maximale était réduite à l'intérieur de la boîte. Un panneau de verre placé entre la source d'ondes électromagnétiques et le récepteur a absorbé le rayonnement ultraviolet qui a aidé les électrons à sauter à travers l'espace. Une fois retiré, la longueur de l'étincelle augmenterait. Il n'a observé aucune diminution de la longueur d'étincelle lorsqu'il a remplacé le verre par du quartz, car le quartz n'absorbe pas les rayons UV.

Les découvertes de Hertz ont conduit à une série d'enquêtes de Hallwachs , Hoor, Righi et Stoletov sur l'effet de la lumière, et en particulier de la lumière ultraviolette, sur les corps chargés. Hallwachs a connecté 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 déchargée si initialement chargée négativement, positivement chargée si initialement non chargée et plus positivement chargée si initialement chargée positivement. A partir de ces observations, il a conclu que certaines particules chargées négativement étaient émises par la plaque de zinc lorsqu'elles étaient exposées à la lumière ultraviolette.

Concernant l' effet Hertz , les chercheurs ont d'emblée montré la complexité du phénomène de fatigue photoélectrique, la diminution progressive de l'effet observé sur des surfaces métalliques fraîches. Selon Hallwachs, l' ozone a joué un rôle important dans le phénomène et l'émission a été influencée par l'oxydation, l'humidité et le degré de polissage de la surface. Il n'était pas clair à l'époque si la fatigue est absente dans le vide.

Dans la période 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 plus adapté à une analyse quantitative du photoeffet. Il découvrit 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 sur la pression du gaz, où il a trouvé 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. GC Schmidt et O. Knoblauch ont dressé une liste de ces substances.

En 1899, JJ Thomson a étudié la lumière ultraviolette dans les tubes de Crookes . Thomson en déduit que les particules éjectées, qu'il appelle corpuscules, sont de même nature que les rayons cathodiques . Ces particules sont devenues plus tard connues sous le nom d'électrons. Thomson a enfermé une plaque métallique (une cathode) dans un tube à vide et l'a exposée à un rayonnement haute fréquence. On pensait que les champs électromagnétiques oscillants faisaient résonner le champ des atomes et, après avoir atteint une certaine amplitude, provoquaient l'émission de corpuscules subatomiques et la détection de courant. La quantité de ce courant variait avec l'intensité et la couleur du rayonnement. Une intensité ou une fréquence de rayonnement plus élevée produirait plus de courant.

Au cours des 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 renfermant deux électrodes lorsqu'un rayonnement ultraviolet tombe sur l'une d'entre elles. Dès que le rayonnement ultraviolet est arrêté, le courant s'arrête également. Cela a lancé 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 produisait un plus grand nombre d'ions positifs que négatifs, il était naturel d'interpréter le phénomène, comme JJ Thomson fait, comme un effet Hertz sur les particules présentes dans le gaz.

20ième siècle

En 1902, Lenard a observé que l' énergie des électrons émis individuels 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 à l'aide d'une puissante lampe à arc électrique qui lui a permis 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 rapportant au potentiel d'arrêt maximal (tension) dans un phototube. Il a découvert que l' énergie cinétique maximale des électrons 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 la libération - le rayonnement ultraviolet nécessiterait un potentiel d'arrêt appliqué plus élevé pour arrêter le courant dans un phototube que la lumière bleue. Cependant, les résultats de Lenard étaient qualitatifs plutôt que quantitatifs en raison de la difficulté de réaliser les expériences : les expériences devaient être faites sur du métal fraîchement coupé pour que le métal pur soit observé, mais il s'oxydait en quelques minutes même dans les vides partiels qu'il utilisé. Le courant émis par la surface était déterminé par l'intensité ou la luminosité de la lumière : 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. Retrouvée par JJ Thomson puis de manière plus décisive par Frederic Palmer, Jr., la photoémission du gaz a été étudiée et a montré des caractéristiques très différentes de celles qui lui étaient initialement attribuées par Lenard.

En 1900, alors qu'il étudiait le rayonnement du corps noir , le physicien allemand Max Planck suggéra dans son article " Sur la loi de distribution de l'énergie dans le spectre normal " que l'énergie transportée 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 dans des paquets quantifiés discrets pour expliquer les données expérimentales de l'effet photoélectrique. Einstein a théorisé que l'énergie dans chaque quantum de lumière était égale à la fréquence de la lumière multipliée par une constante, appelée plus tard la constante de Planck . Un photon au-dessus d'une fréquence seuil a l'énergie nécessaire pour éjecter un seul électron, créant l'effet observé. Ce fut une étape clé dans le développement de la mécanique quantique . En 1914, l'expérience de Millikan a soutenu le modèle d'Einstein de l'effet photoélectrique. 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 soumis à l'action du 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 figurait dans l'un de ses articles Annus Mirabilis , intitulé " Sur un point de vue heuristique concernant la production et la transformation de la lumière ". L'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 discrets de lumière 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 basse intensité, la source haute fréquence pouvait fournir quelques photons de haute énergie, alors qu'à haute intensité, la source basse La source de fréquence ne fournirait pas de photons d'énergie individuelle suffisante pour déloger les électrons. Ce fut un énorme saut théorique, mais le concept a été fortement résisté au début car il contredisait la théorie ondulatoire de la lumière qui découlait naturellement des équations électromagnétiques de James Clerk Maxwell , et plus généralement, l'hypothèse d' une 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 continué.

Les travaux d'Einstein ont prédit que l'énergie des électrons éjectés individuels augmente linéairement avec la fréquence de la lumière. Étonnamment peut-être, la relation précise n'avait pas encore été testée. En 1905, on savait que l'énergie des photoélectrons augmente avec l'augmentation de la fréquence de la lumière incidente et est indépendante de l' intensité de la lumière. Cependant, la manière de l'augmentation n'a été déterminée expérimentalement qu'en 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 d'ondes et de particules, chacune se manifestant selon les circonstances. L'effet était impossible à comprendre en termes de description classique des ondes lumineuses, car l'énergie des électrons émis ne dépendait pas de l'intensité du rayonnement incident. La théorie classique prédisait que les électrons « rassembleraient » de l'énergie sur une période de temps, puis seraient émis.

Utilisations et effets

Photomultiplicateurs

Photomultiplicateur

Ce sont des tubes à vide extrêmement sensibles à la lumière avec une photocathode enduite à l'intérieur de l'enveloppe. La photocathode contient des combinaisons de matériaux tels que le césium, le rubidium et l'antimoine spécialement sélectionnés pour fournir un faible travail de sortie, donc lorsqu'il est éclairé même par de très faibles niveaux de lumière, la photocathode libère facilement des électrons. Au moyen d'une série d'électrodes (dynodes) à des potentiels toujours plus élevés, ces électrons sont accélérés et sensiblement augmentés en nombre par émission secondaire pour fournir un courant de sortie facilement détectable. Les photomultiplicateurs sont encore couramment utilisés partout où de faibles niveaux de lumière doivent être détectés.

Capteurs d'images

Les tubes de caméra vidéo au début de la télévision utilisaient l'effet photoélectrique, par exemple, le "

Dissecteur d'images " de Philo Farnsworth utilisait un écran chargé par l'effet photoélectrique pour transformer une image optique en un signal électronique numérisé.

Spectroscopie photoélectronique

Expérience de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire ( ARPES ). La lampe à décharge à l'hélium projette une lumière ultraviolette sur l'échantillon sous ultra-vide. L'analyseur d'électrons hémisphérique mesure la distribution des électrons éjectés par rapport à l'énergie et à la quantité de mouvement.

Parce que l'énergie cinétique des électrons émis est exactement l'énergie du photon incident moins l'énergie de la liaison de l'électron dans un atome, une molécule ou un solide, l'énergie de liaison peut être déterminée en projetant un

rayon X monochromatique ou une lumière UV d'une l'énergie et la mesure des énergies cinétiques des photoélectrons. La distribution des énergies des électrons est précieuse pour l'étude des propriétés quantiques de ces systèmes. Il peut également être utilisé pour déterminer la composition élémentaire des échantillons. Pour les solides, la distribution de l'énergie cinétique et de l'angle d'émission des photoélectrons est mesurée pour la détermination complète de la structure de la bande électronique en termes d'énergies de liaison autorisées et de moments des électrons. Les instruments modernes de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire sont capables de mesurer ces quantités avec une précision meilleure que 1 meV et 0,1°.

Les mesures de

spectroscopie photoélectronique sont généralement effectuées dans un environnement à vide poussé, car les électrons seraient diffusés par les molécules de gaz si elles étaient présentes. Cependant, certaines entreprises vendent désormais des produits qui permettent la photoémission dans l'air. La source lumineuse peut être un laser, un tube à décharge ou une source de rayonnement synchrotron .

L' analyseur hémisphérique concentrique est un analyseur d'énergie électronique typique. Il utilise un champ électrique entre deux hémisphères pour modifier (disperser) les trajectoires des électrons incidents en fonction de leurs énergies cinétiques.

Appareils de vision nocturne

Les photons frappant un film mince de métal alcalin ou de matériau semi -

conducteur tel que l'arséniure de gallium dans un tube intensificateur d'image provoquent l'éjection de photoélectrons en raison de l'effet photoélectrique. Ceux-ci sont accélérés par un champ électrostatique où ils frappent un écran recouvert de phosphore , reconvertissant les électrons en photons. L'intensification du signal est obtenue soit par l'accélération des électrons, soit par l'augmentation du nombre d'électrons par des émissions secondaires, comme avec une plaque à micro-canaux . Parfois, une combinaison des deux méthodes est utilisée. Une énergie cinétique supplémentaire est nécessaire pour déplacer un électron hors de la bande de conduction et dans le niveau de vide. Ceci est connu comme l' affinité électronique de la photocathode et est une autre barrière à la photoémission autre que la bande interdite, expliquée par le modèle de bande interdite . Certains matériaux tels que l'arséniure de gallium ont une affinité électronique effective qui est inférieure au niveau de la bande de conduction. Dans ces matériaux, les électrons qui se déplacent vers la bande de conduction ont tous suffisamment d'énergie pour être émis par le matériau, de sorte que le film qui absorbe les photons peut être assez épais. Ces matériaux sont connus sous le nom de matériaux à affinité électronique négative.

Vaisseau spatial

L'effet photoélectrique amènera le vaisseau spatial exposé à la lumière du soleil à développer une charge positive. Cela peut être un problème majeur, car d'autres parties du vaisseau spatial sont dans l'ombre, ce qui entraînera le développement d'une charge négative par le vaisseau spatial à partir des plasmas voisins. Le déséquilibre peut se décharger à travers des composants électriques délicats. La charge statique créée par l'effet photoélectrique est auto-limitante, car un objet plus chargé n'abandonne pas ses électrons aussi facilement qu'un objet moins chargé.

Poussière de lune

La lumière du Soleil frappant la poussière lunaire la charge positivement par effet photoélectrique. La poussière chargée se repousse alors et se soulève de la surface de la Lune par lévitation électrostatique . Cela se manifeste presque comme une "atmosphère de poussière", visible sous la forme d'une fine brume et d'un flou de caractéristiques distantes, et visible sous la forme d'une faible lueur après le coucher du soleil. Cela a été photographié pour la première fois par les sondes du programme Surveyor dans les années 1960, et plus récemment, le rover Chang'e 3 a observé des dépôts de poussière sur des roches lunaires atteignant environ 28 cm. On pense que les plus petites particules sont repoussées à des kilomètres de la surface et que les particules se déplacent dans des « fontaines » lorsqu'elles se chargent et se déchargent.

Processus concurrents et section efficace de photoémission

Lorsque les énergies des photons sont aussi élevées que l'énergie au repos des électrons 511 keV , encore un autre processus, la diffusion Compton , peut avoir lieu. Au-dessus du double de cette énergie, àLa production de paires de 1,022 MeV est également plus probable. La diffusion Compton et la production de paires sont des exemples de deux autres mécanismes concurrents.

Même si l'effet photoélectrique est la réaction privilégiée pour une interaction particulière d'un photon unique avec un électron lié, le résultat est également soumis à des statistiques quantiques et n'est pas garanti. La probabilité que l'effet photoélectrique se produise est mesurée par la section efficace de l'interaction, . Cela s'est avéré être une fonction du numéro atomique de l'atome cible et de l'énergie des photons. Dans une approximation grossière, pour les énergies de photons supérieures à l'énergie de liaison atomique la plus élevée, la section efficace est donnée par :

Ici Z est le numéro atomique et n est un nombre qui varie entre 4 et 5. L'effet photoélectrique diminue rapidement en importance dans la région des rayons gamma du spectre, avec l'augmentation de l'énergie des photons. Il est également plus probable à partir d'éléments avec un numéro atomique élevé. Par conséquent, les matériaux à Z élevé constituent de bons écrans contre les rayons gamma , ce qui est la principale raison pour laquelle le plomb ( Z = 82) est préféré et le plus largement utilisé.

Voir également

Les références

Liens externes

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