Effet photoélectrique et photon : cours de Terminale

Tu as vu dans ce chapitre que la lumière se comporte comme une onde : elle diffracte, elle interfère, et l'effet Doppler décale sa fréquence. Ces propriétés expliquent beaucoup de choses, des lunettes astronomiques aux franges d'interférences. Pourtant, certaines expériences sur la lumière échappent complètement à ce modèle. L'effet photoélectrique est la plus célèbre d'entre elles.

Le programme de spécialité en fait le point d'entrée pour introduire le caractère particulaire de la lumière et pour effectuer un bilan énergétique ¹. Dans ce cours, tu vas apprendre à décrire le phénomène, à expliquer pourquoi le modèle ondulatoire classique échoue, à présenter le photon, puis à calculer des énergies. Il prépare l'étude des cellules photovoltaïques et des diodes.

Imagine une plaque de métal bien décapée, reliée à un électroscope ou à un circuit. Tu l'éclaires avec une lampe. Selon la lumière choisie, il se passe quelque chose ou rien du tout. Quand le phénomène a lieu, des électrons quittent la surface du métal : ils sont arrachés au matériau par la lumière.

On parle d'électrons éjectés ou de photoélectrons. Ils partent avec une certaine énergie cinétique, que l'on peut mesurer en les freinant avec un champ électrique.

Dans le modèle ondulatoire classique, la lumière est une onde qui répartit son énergie de façon continue. Plus l'onde est intense, plus elle transporte d'énergie. On pourrait donc penser qu'un électron du métal accumule peu à peu l'énergie de l'onde jusqu'à pouvoir s'échapper, quelle que soit la couleur de la lumière : il suffirait d'éclairer assez longtemps ou assez fort. L'expérience contredit cette idée.

Voici pourquoi le modèle classique échoue. Une onde étendue, même faible, devrait finir par fournir l'énergie nécessaire en s'accumulant. Or, sous le seuil, rien ne sort, même avec une lumière intense. Et au-dessus du seuil, augmenter l'intensité ne rend pas les électrons plus énergiques : cela en produit simplement davantage. Il faut un autre modèle, où l'énergie est livrée par paquets.

En 1905, Albert Einstein fait une proposition audacieuse : la quantification de l'énergie serait une propriété de la lumière elle-même ³. Il ne remet pas en cause la théorie de Maxwell, mais il montre que l'effet photoélectrique (comme la loi de Planck) devient compréhensible si l'énergie de l'onde électromagnétique est concentrée dans des quanta ponctuels, qui voyagent indépendamment les uns des autres ³.

Le principe est simple : un photon arrive, un électron absorbe son énergie. Quand l'effet se produit, le photon incident transmet la totalité de son énergie à l'électron. Une énergie minimale est requise pour arracher l'électron ; ce qui dépasse ce minimum lui est communiqué sous forme d'énergie cinétique ².

L'histoire de l'effet photoélectrique s'étale sur près d'un siècle. En 1839, Antoine Becquerel et son fils Alexandre Edmond présentent un effet photoélectrique : le comportement électrique d'électrodes plongées dans un liquide change quand on les éclaire ². La découverte de l'effet photoélectrique sur un métal est attribuée à Heinrich Hertz en 1887 ².

Ensuite, les mesures se précisent. L'année suivante, Wilhelm Hallwachs relie le phénomène à un départ de charges négatives. En 1892, Julius Elster et Hans Geitel établissent que le courant photoélectrique croît proportionnellement au flux lumineux reçu. En 1900, Philipp Lenard reconnaît dans ces charges négatives des électrons ².

Einstein publie son explication en 1905 ³. Millikan confirme expérimentalement la dépendance linéaire de l'énergie des électrons avec la fréquence en 1916 ³. Le prix Nobel de physique 1921 est attribué à Einstein, et celui de 1923 à Millikan, notamment pour son travail sur l'effet photoélectrique ³.

Le modèle de la lumière que tu dois retenir est celui de la dualité onde-corpuscule : selon l'expérience, la lumière se manifeste par ses propriétés ondulatoires (diffraction, interférences) ou par ses propriétés particulaires (effet photoélectrique). Ce n'est pas une contradiction, c'est un modèle plus complet ³.