⚡ L'effet photoélectrique
Une lumière rouge aveuglante n'arrache pas le moindre électron au zinc, alors qu'une faible lampe UV y arrive sans peine. Ce mystère a valu le prix Nobel à Einstein : la lumière est faite de grains d'énergie, les photons. Choisis ton métal, ta couleur et ton intensité… et pars à la chasse aux électrons !
🧪 Mode d'emploi : règle les curseurs (à droite, ou sous l'animation sur téléphone), lance avec ▶, observe les mesures et relève les 🎯 défis. Le bouton ⛶ agrandit l'animation, idéal sur téléphone à l'horizontale.
Ce que tu vois
- Chaque photon transporte l'énergie E = hν = hc/λ : plus la longueur d'onde est courte, plus le photon est énergétique (le violet bat le rouge, l'UV bat le violet).
- Un électron n'est arraché que si l'énergie d'un seul photon dépasse le travail d'extraction W₀ du métal. Sinon, rien ne sort, même avec une lumière très intense.
- Augmenter la puissance de la lampe envoie plus de photons : plus d'électrons sortent et le courant augmente, mais leur énergie cinétique maximale ne change pas.
- Le bilan d'énergie montre l'équation d'Einstein : le photon fournit hν, il en faut W₀ pour sortir du métal, et il reste au plus Ec max = hν − W₀ d'énergie cinétique.
- Sur le graphique, les points d'un même métal s'alignent sur une droite de pente h. Pour tous les métaux, les droites sont parallèles : seule l'ordonnée à l'origine −W₀ change.
Expériences à faire
- Pour le sodium, cherche la plus grande longueur d'onde qui arrache encore des électrons. Retrouve-la par le calcul avec λ₀ = hc/W₀.
- Lequel des quatre métaux réagit à la lumière visible ? Pourquoi utilise-t-on le césium dans les cellules photoélectriques ?
- Double la puissance de la lumière : que deviennent le courant et Ec max ?
- Note trois points pour le zinc et trois pour le césium : les deux droites ont-elles la même pente ? Que vaut-elle ?
- Choisis ✏️ Mon métal et tape W₀ = 4,3 eV (l'argent) : quelle est sa longueur d'onde seuil ? Note trois points : retrouves-tu la même pente h ?
La physique derrière l'animation
- Énergie d'un photon : E = hν = hc/λ, avec h = 6,63 × 10−34 J·s et c = 3,00 × 108 m/s. En électronvolts : E (eV) ≈ 1 240 / λ (nm), et 1 eV = 1,60 × 10−19 J.
- Travail d'extraction W₀ : énergie minimale pour arracher un électron au métal. Valeurs typiques : césium 2,14 eV, sodium 2,36 eV, zinc 4,33 eV, cuivre 4,65 eV.
- Équation d'Einstein : Ec max = hν − W₀. Il y a un effet photoélectrique seulement si ν > ν₀ = W₀/h, c'est-à-dire λ < λ₀ = hc/W₀ (λ₀ ≈ 525 nm pour le sodium).
- La puissance lumineuse fixe le nombre de photons reçus par seconde, P/(hν), donc le nombre d'électrons émis et le courant ; elle ne change pas l'énergie de chaque électron.
- Le graphique Ec max = f(ν) est une droite de pente h et d'ordonnée à l'origine −W₀. Modèle simplifié : rendement quantique supposé de 0,1 % (réglable avec ✏️ Mon métal) pour le courant, valeurs de W₀ dépendant de l'état de la surface.
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