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\section{Effet photoélectrique et lumière}
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\subsubsection*{Théorie quantique}
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%\subsubsection*{Pages 222 à 236 du livre}
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Nous savons à présent que la lumière visible est une onde
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électromagnétique, due à des oscillations de charges électriques à des
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fréquences comprises entre $4 10^{14} \siunits{Hz}$ et
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$8 10^{14} \siunits{Hz} $
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(voir spectre électromagnétique).
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\subsubsection{Production de la lumière}
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\emph{Quelles sont ces charges oscillantes responsables de l'émission de
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lumière~?}
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=11.557cm,height=4.957cm]{Pictures/100000010000035A00000170D87D5DDA82610A97.png}
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\caption{}
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\end{figure}
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L'émission de lumière par un atome ou une molécule est un
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\textbf{phénomène électronique},
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provoqué par l'oscillation des électrons atomiques.
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Dans un atome chaque électron se trouve sur une orbitale et donc possède
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des niveaux d'énergie quantifiés (les niveaux d'énergie ont des valeurs
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précises). C'est le modèle de Bohr (fig. 1).
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De l'énergie incidente sur la surface d'un objet excite certains
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électrons des atomes. L'électron peut passer d'un niveau inférieur vers
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un niveau d'énergie plus élevée en absorbant cette énergie (fig. 2). On
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parlera d'absorption.
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Ces électrons excités retournent très rapidement à un état stable en
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perdant l'énergie accumulée sous forme de rayonnement qui est une onde
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électromagnétique à savoir un «~paquet d'énergie~électromagnétique~» ou
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photon (fig. 3). On parlera d'émission.
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Le rayonnement émis peut-être situé dans le visible, mais aussi dans
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l\textbf{\textbf{'}\textbf{infrarouge} }ou\textbf{
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}l\textbf{\textbf{'ultraviolet}, }tout dépend de la différence d'énergie
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entre les deux niveaux lors de la transition électronique.
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L'énergie incidente peut provenir~:
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\begin{itemize}
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\item
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de matériaux chauffés.
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\item
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d'un courant électrique appliqué entre des électrodes placées à chaque
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extrémité d'un tube (tube néon).
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\end{itemize}
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Chaque atome émet une couleur qui lui est propre car la répartition
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électronique en couches (modèle de Bohr) est caractéristique de chaque
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élément du tableau périodique.
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=5.856cm,height=4.186cm]{Pictures/10000000000001F4000001658D0506E7D72323B2.jpg}
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\caption{}
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\end{figure}
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\subsubsection{Interaction lumière-matière - l'effet photoélectrique}
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C'est 1887, à l'occasion de ses recherches pour prouver l'existence des
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ondes électromagnétiques, que le physicien allemand Hertz mis en
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évidence l'effet photoélectrique.
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Dans cet effet, \textbf{de la lumière qui arrive sur un métal provoque
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l'éjection d'électrons présents dans le métal~: il s'agit de l'effet
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photoélectrique. }
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C'est le principe de fonctionnement des cellules photoélectriques.
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=6.638cm,height=4.852cm]{Pictures/10000001000001AD0000013AB85194CC89C1758C.png}
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\caption{}
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\end{figure}
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\subsubsection{La cellule photoélectrique }
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De la lumière (de fréquence f ) arrive sur un métal (la cathode C) et
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provoque l'éjection d'électrons présents dans le métal. Ces électrons
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animés d'une vitesse
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\includegraphics[width=0.331cm,height=0.401cm]{Pictures/10000001000000090000000BEA16D6AB6A907BC0.png}
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vont produire un courant électrique dans le circuit.
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(Rappel~: le sens conventionnel du courant est de sens opposé au sens de
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déplacement des électrons).
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\subsubsection{Propriétés de l'effet photoélectrique. }
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On conçoit bien que la lumière, onde électromagnétique, puisse interagir
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avec la surface du métal en y faisant vibrer les électrons peu liés pour
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finalement en arracher.
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\emph{a) Influence de l'intensité de la lumière :}
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L'intensité du courant électrique mesuré (et donc l'effet
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photoélectrique) est d'autant plus grand que l'intensité de la lumière
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incidente est grande. (L'intensité lumineuse est l'énergie reçue par
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unité de surface et par unité de temps. Elle se mesure en
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W/m\textsuperscript{2}.)
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Eclairer plus intensément correspond à envoyer davantage d'énergie vers
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la surface du métal et permet logiquement d'augmenter l'intensité du
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courant électrique.
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\emph{b) Influence de la nature du métal :}
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Chaque métal présente une force de cohésion caractéristique du métal et
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l'énergie nécessaire pour arracher un électron dépend logiquement du
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métal en présence.
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\emph{c) Influence de la fréquence de la lumière :}
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Pour chaque métal éclairé, il existe une fréquence de seuil
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(f\textsubscript{0}) en dessous de laquelle l'effet photoélectrique ne
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se produit pas, \textbf{quelle que soit l'intensité lumineuse, même très
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intense.}
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Le modèle ondulatoire de la lumière ne permet pas d'expliquer cela.
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\subsubsection{Hypothèse du photon d'Einstein. }
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Albert Einstein proposa en 1905 une hypothèse révolutionnaire pour
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expliquer l'effet photoélectrique.
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Selon Einstein, l'énergie lumineuse n'atteint pas une surface de manière
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continue, c'est-à-dire à tout moment et partout sur la surface (comme le
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prévoit le modèle ondulatoire) mais est cédée à la surface de manière
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discontinue, tant du point de vue spatial (au même instant, l'énergie
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n'arrive pas partout) que du point de vue temporel (en un point donné,
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l`énergie n'arrive qu'à certains instants).
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L'absorption de l'énergie lumineuse par une surface peut être comparée à
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l'arrivée de projectiles. Elle ne peut se faire que par quantités
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indivisibles, appelées quanta ou encore photons.
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L'énergie lumineuse transférée à la matière est toujours celle d'un
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nombre entier de photon. On dit que cette énergie est quantifiée (on
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parlera de la théorie quantique).
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Cette énergie dépend de la fréquence comme le montre l'effet
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photoélectrique.
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\subsubsection{Explication de l'effet photoélectrique~:} lors de
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l'interaction lumière-matière, lorsque la lumière atteint la plaque
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métallique~:
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\begin{itemize}
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\item \textbf{un photon} cède toute son énergie à \textbf{un électron}. Le
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photon, quanta d'énergie («~paquet d'énergie~»), est complètement
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absorbé et disparaît.
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\item Un électron ne peut pas accumuler l'énergie de plusieurs photons.
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\item Pour arracher un électron de la plaque métallique, il faut lui
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communiquer au minimum une énergie W appelée travail d'extraction
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(énergie nécessaire pour rompre la liaison).
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\end{itemize}
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\subsubsection*{Conclusion}
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\begin{itemize}
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\item si $h f < W$ (si l'énergie d'un photon est inférieure au travail
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d'extraction), l'énergie communiquée à l'électron est insuffisante,
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même si beaucoup de photons arrivent et aucun électron ne sera
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arraché. Ceci explique l'existence de la fréquence seuil.
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\item Si $h f > W$ , des électrons sont éjectés de la surface métallique. Une
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partie de l'énergie hf est utilisée pour arracher l'électron hors du
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métal~; l'excédent d'énergie est emporté par l'électron sous forme
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d'énergie cinétique (Ec).
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\item Le principe de conservation d'énergie nous permet d'écrire~:
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\end{itemize}
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L'énergie incidente d'un photon se transforme en énergie d'extraction de
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l'électron plus l'énergie cinétique qu'aura l'électron : $h f = W + E_c$
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\subsubsection{Confirmation expérimentale }
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\begin{figure}
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\centering
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\includegraphics[width=11.102cm,height=11.633cm]{Pictures/10000001000001F0000002085D0C02E9A126192D.png}
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\caption{}
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\end{figure}
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|
\textbf{Mesure expérimentale de la constante de Planck}
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\textbf{(ET DEUX PRIX NOBEL~: EINSTEIN EN 1921 ET PLANCK EN 1923)}
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Le physicien américain Millikan apporta la confirmation expérimentale de
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l'hypothèse d'Einstein en déterminant pour un même métal, la variation
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de l'énergie cinétique des électrons arrachés en fonction de la
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|
fréquence de la lumière monochromatique incidente.
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\begin{itemize}
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|
|
\item
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|
L'équation de cette droite est bien~:
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\end{itemize}
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Ec = h(f-f\textsubscript{0}) hf = W + Ec
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où h est la pente et a été mesurée expérimentalement~(constante de
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Planck) h :
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\begin{itemize}
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|
|
\item
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|
Chaque métal a une fréquence seuil qui lui est propre.
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\end{itemize}
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Nous pouvons remarquer sur le graphique que si f = f\textsubscript{0},
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|
alors Ec = 0.
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|
L'énergie du photon incident sera juste suffisante pour arracher
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l'électron et ne sera pas suffisante pour encore lui communiquer une
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énergie cinétique.
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\subsubsection{Comportement quantique de la lumière}
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Certains phénomènes (réfraction, diffraction, interférences) ne sont
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explicables que par le modèle ondulatoire, d'autres que par le modèle du
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photon qui a un comportement corpusculaire.
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|
La lumière se comporte tantôt comme une onde, tantôt comme des
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particules.
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Finalement, quel est le bon modèle~?
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Il est incorrect de dire « la lumière est une onde » ou « la lumière est
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une particule ».
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En réalité, il n'y a pas de modèle unique pour la lumière.
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L'ensemble des comportements de la lumière ne peut s'expliquer ni par
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l'un, ni par l'autre des deux modèles. Les deux sont nécessaires, tantôt
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c'est l'un qui est efficace, tantôt, c'est l'autre.
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\subsubsection{Énergie lumineuse}
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Les ondes électromagnétiques transportent de l'énergie, elles sont dites
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«~rayonnantes~». C'est la seule forme d'énergie qui peut se propager
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dans le vide, en l'absence de matière.
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L'énergie lumineuse fait partie des énergies dites « rayonnantes ».
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L'énergie lumineuse est proportionnelle au nombre de photons émis (N).
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Or chaque photon transporte une énergie qui est proportionnelle à sa
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fréquence (E=hf)
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Donc, l'énergie lumineuse transportée sera~:
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\includegraphics[width=5.433cm,height=2.893cm]{Pictures/10000001000002AE00000146D8BC2B71B32E2C49.png}\emph{\textbf{3
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-- QU'EST CE QUE LA LUMIERE~? }
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\begin{itemize}
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\item
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La lumière est une onde électromagnétique, dont la longueur d'onde,
|
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comprise entre 400 et 800 nm, correspond à la zone de sensibilité de
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l'œil humain, entre l'ultraviolet et l'infrarouge.
|
|
\end{itemize}
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\begin{figure}
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\centering
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|
\includegraphics[width=2.847cm,height=2.916cm]{Pictures/10000001000000A4000000A84DE8EBE1FCDB0C87.png}
|
|
\caption{}
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|
\end{figure}
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|
\begin{itemize}
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|
\item
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|
Elle est produite par l'oscillation des électrons atomiques.
|
|
\end{itemize}
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|
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\begin{itemize}
|
|
|
|
\item
|
|
Elle constituée d'un ensemble de photons qui sont des quanta d'énergie
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électromagnétique.
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
L'énergie d'un photon dépend de la fréquence.
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
|
|
\item
|
|
L'énergie radiative de la lumière est~:
|
|
\end{itemize}
|
|
|
|
\begin{itemize}
|
|
|
|
\item
|
|
\includegraphics[width=3.861cm,height=2.281cm]{Pictures/10000001000001D40000010F4347AFBBBD12FC87.png}À
|
|
l'inverse des ondes mécaniques (son, vagues,\ldots), la lumière, comme
|
|
toutes les ondes électromagnétiques, n'a pas besoin de support pour se
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propager. Elle peut se déplacer dans le vide et dans un milieu
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transparent (eau, verre,~\ldots).
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\end{itemize}
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|
Dans un milieu transparent donc hors du vide, elle se propage moins vite
|
|
(cfr. expérience de Young).
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On définit l'indice de réfraction du milieu comme étant le rapport de la
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vitesse de la lumière dans le vide sur sa vitesse dans le milieu.
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(n=c/v)
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\begin{itemize}
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|
\item
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|
La \textbf{lumière est composée} de photons (particules), mais elle
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possède les propriétés d'une onde. Elle a un comportement quantique,
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|
c'est-à-dire :
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\end{itemize}
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- La lumière \emph{\textbf{se propage}} \emph{\textbf{comme une onde }}:
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elle distribue son énergie dans l'espace de manière continue, comme une
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onde. Elle est soumise aux lois de la réflexion, réfraction, diffraction
|
|
et interférences.
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- La lumière \emph{\textbf{interagit avec la matière de façon discrète}}
|
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: elle échange de l'énergie avec la matière de façon
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\textbf{discontinue}, un photon à la fois. L'énergie d'un photon est
|
|
proportionnelle à la fréquence.
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\subsubsection{Photons et appplications}
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|
% ( Lire p 230 à 236)}
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Quelques applications importantes dans la vie quotidienne de l'effet phptoélectrique sont~:
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item les cellules photoélectriques
|
|
\item les panneaux photovoltaïques
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|
\item les diodes LED (pour light emission diod)
|
|
\end{enumerate}
|
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|
|
\hypertarget{exercices-photons}{%
|
|
\section{Exercices}\label{exercices-photons}
|
|
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|
\hypertarget{exercice-1}{%
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\subsection{Ex. 1}\label{exercice-1}
|
|
Une station de radio a une puissance émettrice de 400 kW à 100 MHz.
|
|
Combien de photons par seconde sont émis~? (Rép~:
|
|
$6.10^{30}$ photons/s)
|
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\subsection{Ex. 2}
|
|
Le travail d'extraction d'un électron est de $3,6.10^{-19} \siunits{J}$ pour le potassium.
|
|
Soit un faisceau de longueur d'onde égale à 400 nm
|
|
qui a une puissance de $10^{-9} \siunits{W}$. Calcule~:
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item L'énergie cinétique des électrons émis. $(Rép~:
|
|
1,37.10^{-19} J)$
|
|
\item Le nombre d'électrons émis par mètre carré et par seconde à partir de
|
|
la surface où se produit l'effet photoélectrique, en supposant que 3\%
|
|
des photons incidents parvient à éjecter des électrons. (Rép~:
|
|
$6.10^7$ électrons/s)
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\subsection{Ex. 3}
|
|
Le seuil photoélectrique de longueur d'onde pour le césium est de 686
|
|
nm. Si de la lumière de longueur d'onde égale à 470 nm éclaire la
|
|
surface, quelle est la vitesse maximale des électrons émis~? (Rép~:
|
|
$5,4.10^5 m/s$)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 4}
|
|
Soit un rayonnement de longueur d'onde de 200 nm tombant sur du mercure
|
|
pour lequel le travail d'extraction est de 7,2.10\textsuperscript{-19}J.
|
|
Quelle est l'énergie cinétique des électrons éjectés~? (Rép~:
|
|
$2,74.10^{-19}$ J)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 5}
|
|
Lorsqu'un métal est éclairé par de la lumière de fréquence f, l'énergie
|
|
cinétique maximale des électrons est de $2,08.10^{-19}$ J.
|
|
Lorsqu'on augmente la fréquence de 50\%, l'énergie cinétique maximale
|
|
augmente jusqu'à $5,77.10^{-19}$ J.
|
|
Quelle est la fréquence seuil de ce métal~? (Rép~: $7,9.10^{14}$ Hz)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 6}
|
|
|
|
De la lumière bleue (λ = 470 nm) ayant une intensité de 200 W/m² pénètre
|
|
dans un œil. Combien de photons entrent dans l'œil par seconde si la
|
|
pupille a un diamètre de 5 mm? (Rép~: 9,3.10\textsuperscript{15
|
|
}photons/s)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 7}
|
|
|
|
Lors d'une expérience sur l'effet photoélectrique, on a recueilli les
|
|
valeurs suivantes pour la longueur d'onde de la lumière incidente et
|
|
l'énergie cinétique des électrons émis
|
|
|
|
\begin{longtable}[]{@{}llllll@{}}
|
|
(nm) & 500 & 450 & 400 & 350 & 300\tabularnewline
|
|
Ec (10\textsuperscript{-19} J) & 0,59 & 1,04 & 1,60 & 2,19 &
|
|
3,20\tabularnewline
|
|
\end{longtable}
|
|
|
|
Utilise ces données pour calculer \emph{\textbf{graphiquement}} la
|
|
valeur de la constante de Planck.
|
|
|
|
\subsection{Ex. 8}
|
|
|
|
La longueur d'onde du seuil photoélectrique d'un matériau métallique est
|
|
de 360 nm. Quelle est la vitesse maximale des électrons émis si on
|
|
utilise des photons de 280 nm de longueur d'onde~? (Rép~:
|
|
6.10\textsuperscript{5} m/s)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 9}
|
|
|
|
De la lumière ayant une longueur d'onde de 450 nm et une intensité de 40
|
|
W/m² arrive sur un métal. Combien d'électrons sont éjectés par seconde
|
|
et par centimètre carré de surface si seulement 3 \% des photons qui
|
|
arrivent sur le métal éjecte un électron?
|
|
|
|
(Rép~: 2,7.10\textsuperscript{14} électrons/s)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 10}
|
|
|
|
Lorsqu'un métal est éclairé par de la lumière de fréquence f, l'énergie
|
|
cinétique maximale des électrons est de 2,08.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
Lorsqu'on augmente la fréquence de 50\%, l'énergie cinétique maximale
|
|
augmente jusqu'à 5,77.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
|
|
a) Quelle est la fréquence de la source~?
|
|
(Rép~:1,1.10\textsuperscript{15} Hz)
|
|
|
|
b) Sachant que le spectre visible est situé entre 400 nm et 800 nm, la
|
|
lumière utilisée est-elle dans le spectre visible, dans la gamme des
|
|
ultraviolets ou dans la gamme des infrarouges~? (Rép~: UV)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 11}
|
|
|
|
Lorsqu'on éclaire une surface avec de la lumière d'une fréquence égale à
|
|
7.10\textsuperscript{14 }Hz, les électrons émis ont une vitesse de
|
|
5,2.10\textsuperscript{5} m/s. Quelle est la fréquence seuil du métal?
|
|
|
|
(Rép~: 5,14.10\textsuperscript{14} Hz)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 12}
|
|
|
|
De la lumière jaune (λ = 585 nm) ayant une intensité de 50 W/m² arrive
|
|
sur un mur ayant une surface de 3 m². Combien de photons arrivent sur le
|
|
mur en 20 secondes?
|
|
|
|
(Rép~: 8,8.10\textsuperscript{21} photons/s)
|
|
|
|
\subsection{Ex. 13}
|
|
|
|
Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses~? Répondre à la
|
|
question en indiquant V ou F .
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item Lorsqu'on augmente la puissance d'un faisceau laser sans modifier sa
|
|
fréquence, l'effet photoélectrique qu'il produit sur une même surface
|
|
métallique est tel que~:
|
|
\item le nombre de photons émis par seconde augmente
|
|
\item l'énergie des photons émis augmente
|
|
\item le nombre d'électrons émis par seconde augmente
|
|
\item l'intensité du courant électrique détecté augmente
|
|
\item l'énergie cinétique des électrons augmente
|
|
\end{enumerate}
|
|
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|
\subsection{Ex. 14}
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|
Lorsqu'on augmente la fréquence d'un faisceau laser, l'effet
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|
photoélectrique qu'il produit sur une même surface métallique est tel
|
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que~:
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\begin{enumerate}
|
|
\item le nombre de photons émis par seconde augmente
|
|
\item l'énergie des photons émis augmente
|
|
\item le nombre d'électrons émis par seconde augmente
|
|
\item l'intensité du courant électrique détecté augmente
|
|
\item l'énergie cinétique des électrons augmente
|
|
\end{enumerate}
|
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(Rép~: A) VFVVF, B) FVFVV)
|
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\subsection{Ex. 15}
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\begin{enumerate}
|
|
\item Quel est le seuil de longueur d'onde qui permet la photoémission du
|
|
zinc~? Le travail d'extraction du zinc est de
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|
6,99.10\textsuperscript{-19} J. (Rép~:284 nm)
|
|
\item Cette radiation fait-elle partie du spectre visible de la lumière,
|
|
Justifie. (Rép~: Non)
|
|
\item Quelle sera alors l'énergie cinétique des électrons émis~? Justifie
|
|
(Rép~:1,35.10\textsuperscript{-21} J)
|
|
\end{enumerate}
|
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\subsection{Ex. 16}
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|
Un bon niveau d'éclairement pour la lecture correspond à environ
|
|
2.10\textsuperscript{13} photons par seconde par centimètre carré. Si
|
|
ces photons ont une longueur d'onde moyenne de 500 nm, quelle est
|
|
l'intensité lumineuse correspondante~sachant que l'intensité lumineuse
|
|
est la puissance reçue par unité de surface.
|
|
(Rép~:7,96.10\textsuperscript{-2} W/m\textsuperscript{2})
|
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\subsection{Ex. 17}
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|
Quelle sera la vitesse des électrons émis par du mercure lorsqu'il est
|
|
soumis à un rayonnement de longueur d'onde de 200 nm~? Le travail
|
|
d'extraction du mercure est de 7,2.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
|
|
(Rép~: 7,8.10\textsuperscript{5} m/s)
|
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\subsection{Ex. 18}
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|
Une station de radio a une puissance émettrice de 400 kW à 100 MHz.
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|
Combien de photons par seconde sont émis~?
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\subsection{Ex. 19}
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|
Le travail d'extraction d'un électron est de 3,6.10\textsuperscript{-19}
|
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J pour le potassium. Soit un faisceau de longueur d'onde égale à 400 nm
|
|
qui a une puissance de 10\textsuperscript{-9} W. Calcule~:
|
|
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a) L'énergie cinétique des électrons émis.
|
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|
b) Le nombre d'électrons émis par mètre carré et par seconde à partir de
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|
la surface où se produit l'effet photoélectrique, en supposant que 3\%
|
|
des photons incidents parvient à éjecter des électrons.
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\subsection{QUESTION 3}
|
|
|
|
Le seuil photoélectrique de longueur d'onde pour le césium est de 686
|
|
nm. Si de la lumière de longueur d'onde égale à 470 nm éclaire la
|
|
surface, quelle est la vitesse maximale des électrons émis~?
|
|
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|
\subsection{QUESTION 4}
|
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|
|
Soit un rayonnement de longueur d'onde de 200 nm tombant sur du mercure
|
|
pour lequel le travail d'extraction est de 7,2.10\textsuperscript{-19}J.
|
|
Quelle est l'énergie cinétique des électrons éjectés~?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 5}
|
|
|
|
Lorsqu'un métal est éclairé par de la lumière de fréquence f, l'énergie
|
|
cinétique maximale des électrons est de 2,08.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
Lorsqu'on augmente la fréquence de 50\%, l'énergie cinétique maximale
|
|
augmente jusqu'à 5,77.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
|
|
Quelle est la fréquence seuil de ce métal~?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 6}
|
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|
De la lumière bleue (λ = 470 nm) ayant une intensité de 200 W/m² pénètre
|
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dans un œil. Combien de photons entrent dans l'œil par seconde si la
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|
pupille a un diamètre de 5 mm?
|
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|
|
\subsection{QUESTION 7}\label{question-7}
|
|
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|
\begin{enumerate}
|
|
\item Lors d'une expérience sur l'effet photoélectrique, on a recueilli les
|
|
valeurs suivantes pour la longueur d'onde de la lumière incidente et
|
|
l'énergie cinétique des électrons émis
|
|
\end{enumerate}
|
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|
\begin{longtable}[]{@{}llllll@{}}
|
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\toprule
|
|
\endhead
|
|
(nm) & 500 & 450 & 400 & 350 & 300\tabularnewline
|
|
Ec (10\textsuperscript{-19} J) & 0,59 & 1,04 & 1,60 & 2,19 &
|
|
3,20\tabularnewline
|
|
\bottomrule
|
|
\end{longtable}
|
|
|
|
Utilise ces données pour calculer \emph{\textbf{graphiquement}} la
|
|
valeur de la constante de Planck.
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 8}
|
|
|
|
La longueur d'onde du seuil photoélectrique d'un matériau métallique est
|
|
de 360 nm. Quelle est la vitesse maximale des électrons émis si on
|
|
utilise des photons de 280 nm de longueur d'onde~?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 9}
|
|
|
|
De la lumière ayant une longueur d'onde de 450 nm et une intensité de 40
|
|
W/m² arrive sur un métal. Combien d'électrons sont éjectés par seconde
|
|
et par centimètre carré de surface si seulement 3 \% des photons qui
|
|
arrivent sur le métal éjecte un électron?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 10}
|
|
|
|
Lorsqu'un métal est éclairé par de la lumière de fréquence f, l'énergie
|
|
cinétique maximale des électrons est de 2,08.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
Lorsqu'on augmente la fréquence de 50\%, l'énergie cinétique maximale
|
|
augmente jusqu'à 5,77.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
|
|
a) Quelle est la fréquence de la source~?
|
|
|
|
b) Sachant que le spectre visible est situé entre 400 nm et 800 nm, la
|
|
lumière utilisée est-elle dans le spectre visible, dans la gamme des
|
|
ultraviolets ou dans la gamme des infrarouges~?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 11}
|
|
|
|
Lorsqu'on éclaire une surface avec de la lumière d'une fréquence égale à
|
|
7.10\textsuperscript{14 }Hz, les électrons émis ont une vitesse de
|
|
5,2.10\textsuperscript{5} m/s. Quelle est la fréquence seuil du métal?
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 12}
|
|
|
|
De la lumière jaune (λ = 585 nm) ayant une intensité de 50 W/m² arrive
|
|
sur un mur ayant une surface de 3 m². Combien de photons arrivent sur le
|
|
mur en 20 secondes?
|
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|
\subsection{QUESTION 13}
|
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|
Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses~? Répondre à la
|
|
question en indiquant V ou F .
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|
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|
A) Lorsqu'on augmente la puissance d'un faisceau laser sans modifier sa
|
|
fréquence, l'effet photoélectrique qu'il produit sur une même surface
|
|
métallique est tel que~:
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item le nombre de photons émis par seconde augmente
|
|
\item l'énergie des photons émis augmente
|
|
\item le nombre d'électrons émis par seconde augmente
|
|
\item l'intensité du courant électrique détecté augmente
|
|
\item l'énergie cinétique des électrons augmente
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
B) Lorsqu'on augmente la fréquence d'un faisceau laser, l'effet
|
|
photoélectrique qu'il produit sur une même surface métallique est tel
|
|
que~:
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item le nombre de photons émis par seconde augmente
|
|
\item l'énergie des photons émis augmente
|
|
\item le nombre d'électrons émis par seconde augmente
|
|
\item l'intensité du courant électrique détecté augmente
|
|
\item l'énergie cinétique des électrons augmente
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 14}
|
|
|
|
\begin{enumerate}
|
|
\item Quel est le seuil de longueur d'onde qui permet la photoémission du
|
|
zinc~? Le travail d'extraction du zinc est de
|
|
6,99.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
\item Cette radiation fait-elle partie du spectre visible de la lumière,
|
|
Justifie.
|
|
\item Quelle sera alors l'énergie cinétique des électrons émis~? Justifie
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 15}
|
|
|
|
Un bon niveau d'éclairement pour la lecture correspond à environ
|
|
2.10\textsuperscript{13} photons par seconde par centimètre carré. Si
|
|
ces photons ont une longueur d'onde moyenne de 500 nm, quelle est
|
|
l'intensité lumineuse correspondante~sachant que l'intensité lumineuse
|
|
est la puissance reçue par unité de surface.
|
|
|
|
\subsection{QUESTION 16}
|
|
|
|
Quelle sera la vitesse des électrons émis par du mercure lorsqu'il est
|
|
soumis à un rayonnement de longueur d'onde de 200 nm~? Le travail
|
|
d'extraction du mercure est de 7,2.10\textsuperscript{-19} J.
|
|
|
|
\includegraphics[width=17.448cm,height=24.063cm]{Pictures/10000001000002570000033B23A9DDE6A8AAA6C6.png}
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|
\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B4A6387CB4865E463.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B5842099DBC063D07.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B2EDAF7105EA9C179.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B637F3053717E0CEA.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B1D8D222AA0515BC3.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033BD2AA64816C97C97B.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B115B7FCA5E9F77EB.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B834634AAD14CB84E.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033BF05D77DDF7E1650A.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B282FC06DC4D6D42C.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B9D23F92FA4FE8FB5.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B70807DBABEAE0DEC.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033BB37256DDDEE8E8E4.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033BCFBA7D32EF4FFF20.png}
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\includegraphics[width=17.498cm,height=24.13cm]{Pictures/10000001000002570000033B7F417BAE8163DC5F.png}
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