L'effet photoélectrique

Spécialité physique chimie Terminale

Le photon : rappels de première

La lumière, un flux de photons

📘 Cette partie est un rappel du programme de première : le photon et la relation de Planck-Einstein ont été vus l'an dernier. Ils sont indispensables pour la suite du chapitre.

La lumière est une onde électromagnétique, caractérisée par sa fréquence ν (en Hz) et sa longueur d'onde dans le vide \(\lambda = \dfrac{c}{\nu}\). Mais certains phénomènes, comme l'effet photoélectrique, ne s'expliquent qu'en la décrivant comme un flux de particules : les photons.

Un photon est une particule de lumière :
  • de masse nulle ;
  • qui se déplace dans le vide à la vitesse de la lumière \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) ;
  • qui transporte un « quantum » d'énergie donné par la relation de Planck-Einstein :
\[ E = h \times \nu = \dfrac{h \times c}{\lambda} \]
E en joules (J), ν en hertz (Hz), λ en mètres (m) ; \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) est la constante de Planck.
  • Plus la fréquence est grande (plus la longueur d'onde est petite), plus le photon est énergétique : un photon ultraviolet transporte plus d'énergie qu'un photon rouge.
  • À l'échelle atomique, on utilise l'électronvolt : \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\).

Un pointeur laser vert émet une lumière de longueur d'onde \(\lambda = 532\ \text{nm}\). 🧮

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1. Calculez l'énergie d'un photon, en joules puis en électronvolts.
\[ E = \dfrac{h \times c}{\lambda} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{532 \times 10^{-9}} \approx 3{,}74 \times 10^{-19}\ \text{J} \]

soit \(\dfrac{3{,}74 \times 10^{-19}}{1{,}60 \times 10^{-19}} \approx 2{,}34\ \text{eV}\).

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2. Le laser a une puissance de 1,0 mW. Combien de photons émet-il par seconde ?

En une seconde, il émet l'énergie \(1{,}0 \times 10^{-3}\ \text{J}\), donc \(N = \dfrac{1{,}0 \times 10^{-3}}{3{,}74 \times 10^{-19}} \approx 2{,}7 \times 10^{15}\) photons : la lumière d'un petit laser est un flux énorme de photons, ce qui explique qu'on ne perçoive pas son caractère « granulaire ».

L'effet photoélectrique

Description

Quand un métal est éclairé, des électrons peuvent être éjectés de sa surface : c'est l'effet photoélectrique (on parle aussi de photoémission). Les électrons éjectés, appelés photoélectrons, sont des électrons ordinaires : le préfixe « photo » indique seulement qu'ils ont été arrachés par la lumière.

photoélectrons lumière métal

Le phénomène est observé par Heinrich Hertz en 1887 : une plaque de zinc chargée négativement se décharge quand on l'éclaire avec une lampe à ultraviolets, mais pas avec une lumière visible, même intense. Les expériences de Philipp Lenard (1902) en précisent les caractéristiques :

  • il n'y a émission d'électrons que si la fréquence de la lumière dépasse une fréquence seuil \(\nu_0\), qui dépend du métal, quelle que soit l'intensité de la lumière ;
  • au-dessus du seuil, l'émission est instantanée, même avec une lumière très faible ;
  • l'énergie cinétique des électrons émis augmente avec la fréquence de la lumière, mais ne dépend pas de son intensité ;
  • le nombre d'électrons émis par seconde (le courant mesuré) augmente avec l'intensité de la lumière.

L'échec du modèle ondulatoire

Si la lumière était seulement une onde, son énergie se répartirait continûment sur la surface du métal, et l'on s'attendrait à ce que :

  • l'énergie cinétique des photoélectrons soit proportionnelle à l'intensité de la lumière ;
  • le nombre d'électrons émis augmente avec la fréquence de la lumière ;
  • une lumière de n'importe quelle fréquence, suffisamment intense ou appliquée suffisamment longtemps, finisse par arracher des électrons.

C'est exactement l'inverse de ce qu'on observe : le modèle ondulatoire ne peut pas expliquer l'effet photoélectrique.

L'interprétation d'Einstein

En 1905, Albert Einstein reprend l'idée de Max Planck (1900) selon laquelle les échanges d'énergie entre lumière et matière se font par « paquets ». Il propose que la lumière soit elle-même constituée de grains d'énergie \(E = h\nu\), les photons :

  • un photon cède toute son énergie à un seul électron du métal ;
  • si cette énergie est suffisante pour arracher l'électron, celui-ci est éjecté, sinon il ne se passe rien : d'où l'existence d'une fréquence seuil ;
  • augmenter l'intensité, c'est envoyer plus de photons, tous de même énergie : on arrache plus d'électrons, mais chacun reçoit la même énergie.
ν < ν0 : rien ν < ν0 : rien ν > ν0 : électrons éjectés

Ce travail vaut à Einstein le prix Nobel de physique 1921. Les mesures précises de Robert Millikan (1916) confirment ses prédictions. L'effet photoélectrique est historiquement fondamental : il établit la dualité onde-particule de la lumière, l'un des piliers de la physique quantique.

Bilan d'énergie et travail d'extraction

Le travail d'extraction

Le travail d'extraction φ d'un métal (en J ou en eV) est l'énergie minimale qu'il faut fournir pour arracher un électron à ce métal. Il dépend du métal : 2,1 eV pour le césium, 4,3 eV pour le zinc, 4,7 eV pour le cuivre…

Énergie cinétique des photoélectrons

Établissez, par un bilan d'énergie, la relation entre l'énergie cinétique maximale d'un photoélectron et la fréquence ν de la lumière, puis l'expression de la fréquence seuil. Avancez étape par étape : cherchez d'abord, utilisez l'indice si besoin, puis cliquez sur la question pour vérifier votre réponse.

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1. Un photon de fréquence ν est absorbé par un électron du métal. Quelle énergie l'électron reçoit-il ?
💡 Indice Le photon cède toute son énergie à un seul électron : relation de Planck-Einstein.

L'électron reçoit l'énergie du photon : \(E_{\text{photon}} = h \nu\).

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2. Écrivez la conservation de l'énergie pour un électron éjecté avec l'énergie cinétique maximale \(E_{c\,\text{max}}\).
💡 Indice L'énergie reçue sert d'abord à arracher l'électron (au minimum φ) ; le reste devient énergie cinétique.
\[ h \nu = \phi + E_{c\,\text{max}} \]

Les électrons moins bien placés dans le métal ont besoin de plus que φ pour sortir : ils sortent avec moins d'énergie cinétique. φ est le minimum, d'où le « max ».

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3. Exprimez \(E_{c\,\text{max}}\) en fonction de ν.

On isole \(E_{c\,\text{max}}\) dans le bilan : voir le résultat ci-dessous.

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4. À quelle condition sur ν l'effet photoélectrique se produit-il ? Déduisez-en la fréquence seuil \(\nu_0\).
💡 Indice Une énergie cinétique ne peut pas être négative.

Il faut \(E_{c\,\text{max}} \geq 0\), soit \(h\nu \geq \phi\), donc \(\nu \geq \dfrac{\phi}{h}\) : c'est la fréquence seuil ci-dessous.

Le bilan d'énergie de l'effet photoélectrique s'écrit donc :

\[ E_{c\,\text{max}} = h \nu - \phi \qquad \text{avec} \qquad \nu_0 = \dfrac{\phi}{h} \quad \text{et} \quad \lambda_0 = \dfrac{h c}{\phi} \]
  • L'effet photoélectrique n'a lieu que si \(\nu \geq \nu_0\), c'est-à-dire \(\lambda \leq \lambda_0\) (longueur d'onde seuil).
  • \(E_{c\,\text{max}}\) est une fonction affine de ν, de pente h, qui ne dépend pas de l'intensité lumineuse. C'est ce qu'a vérifié Millikan.
ν Ec max −φ ν0 pas d'émission pente h

Le travail d'extraction du cuivre vaut \(\phi = 7{,}53 \times 10^{-19}\ \text{J}\). On éclaire une plaque de cuivre avec un rayonnement de fréquence \(\nu = 3{,}0 \times 10^{16}\ \text{Hz}\). 🧮

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1. Observera-t-on l'effet photoélectrique ?

\(E = h\nu = 6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}0 \times 10^{16} \approx 2{,}0 \times 10^{-17}\ \text{J}\), bien supérieure à φ : oui. On peut aussi comparer ν à la fréquence seuil \(\nu_0 = \dfrac{\phi}{h} \approx 1{,}1 \times 10^{15}\ \text{Hz}\).

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2. Quelle est l'énergie cinétique maximale des photoélectrons ?

\(E_{c\,\text{max}} = h\nu - \phi = 1{,}99 \times 10^{-17} - 0{,}0753 \times 10^{-17} \approx 1{,}9 \times 10^{-17}\ \text{J}\), soit environ 120 eV.

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3. La lumière visible peut-elle arracher des électrons au cuivre ?

\(\lambda_0 = \dfrac{hc}{\phi} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{7{,}53 \times 10^{-19}} \approx 2{,}64 \times 10^{-7}\ \text{m} = 264\ \text{nm}\) : seuls des ultraviolets assez « durs » conviennent, pas la lumière visible (λ > 400 nm).

La cellule photoélectrique

Principe

Une cellule photoélectrique est une ampoule vidée d'air qui contient deux électrodes : une photocathode, métal de faible travail d'extraction (césium, potassium…), et une anode, reliée au pôle + d'un générateur.

ampoule vide photocathode anode lumière µA + − générateur
  • Les photons dont l'énergie dépasse le travail d'extraction arrachent des électrons à la photocathode.
  • Attirés par l'anode, ces électrons traversent l'ampoule : un courant circule dans le circuit.
  • Chaque photon efficace libère au plus un électron : l'intensité du courant est proportionnelle au nombre de photons reçus par seconde, donc à l'intensité lumineuse.

La cellule photoélectrique est donc un capteur de lumière. Ce principe est utilisé dans les photomultiplicateurs, détecteurs de lumière très sensibles capables de compter les photons un à un.

Absorption et émission de photons

Spectres lumineux

continu émission absorption 380486656750 nm spectres de l'hydrogène : mêmes raies en émission et en absorption
  • Un corps chaud et dense (filament, Soleil) émet un spectre continu.
  • Un gaz excité (lampe à hydrogène) émet un spectre de raies d'émission : seules certaines longueurs d'onde, caractéristiques de l'élément, sont présentes.
  • Un gaz froid éclairé en lumière blanche absorbe ces mêmes longueurs d'onde : spectre de raies d'absorption.

Les niveaux d'énergie de l'atome

L'énergie d'un atome est quantifiée : elle ne peut prendre que certaines valeurs, les niveaux d'énergie. Le niveau le plus bas est le niveau fondamental, les autres sont des niveaux excités. Lors d'une transition entre deux niveaux, l'atome échange un photon d'énergie :
\[ \Delta E = |E_{\text{haut}} - E_{\text{bas}}| = h \nu = \dfrac{h c}{\lambda} \]
  • Absorption : l'atome passe à un niveau supérieur en absorbant un photon dont l'énergie est exactement égale à l'écart entre les deux niveaux.
  • Émission : l'atome redescend à un niveau inférieur en émettant un photon d'énergie égale à l'écart entre les niveaux.
  • Les niveaux étant propres à chaque élément, les raies le sont aussi : le spectre est la « signature » de l'élément.
0 eV−0,85 eV−1,51 eV −3,39 eV−13,6 eV n → ∞n = 4n = 3 n = 2n = 1 niveau fondamental niveaux excités échelle non respectée

On utilise le diagramme des niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène ci-dessus. Données : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) ; \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) ; \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\). 🧮

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1. Un gaz d'hydrogène est éclairé par une lumière monochromatique qui fait passer son électron du niveau \(E_1\) au niveau \(E_3\). Calculez la longueur d'onde de ce photon. Est-il visible ?

\(\Delta E = E_3 - E_1 = -1{,}51 - (-13{,}6) = 12{,}09\ \text{eV} = 1{,}93 \times 10^{-18}\ \text{J}\), donc :

\[ \lambda = \dfrac{hc}{\Delta E} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{1{,}93 \times 10^{-18}} \approx 1{,}03 \times 10^{-7}\ \text{m} = 103\ \text{nm} \]

C'est un rayonnement ultraviolet, invisible.

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2. L'atome se désexcite en revenant à l'état fondamental. Quelles sont les trois transitions possibles et les longueurs d'onde des photons émis ? Laquelle correspond à la raie rouge Hα ?
  • 3 → 1 : 12,09 eV, λ ≈ 103 nm (ultraviolet) ;
  • 3 → 2 : \(-1{,}51 - (-3{,}39) = 1{,}88\ \text{eV}\), λ ≈ 661 nm (rouge) : c'est la raie Hα, mesurée à 656 nm (l'écart vient des arrondis des niveaux) ;
  • 2 → 1 : 10,21 eV, λ ≈ 122 nm (ultraviolet).

L'atome peut redescendre directement (3 → 1) ou en deux étapes (3 → 2 puis 2 → 1).

Applications et enjeux énergétiques

Quelques applications de l'interaction photon-matière

  • Capteurs de lumière : les capteurs CCD et CMOS des appareils photo et des smartphones convertissent les photons reçus par chaque pixel en charges électriques.
  • Cellules photovoltaïques : elles convertissent l'énergie des photons du Soleil en énergie électrique.
  • Diodes électroluminescentes (DEL) : c'est le phénomène inverse, un électron qui perd de l'énergie dans le semi-conducteur émet un photon ; la couleur dépend de l'énergie libérée.
  • Spectroscopies UV-visible et infrarouge : une molécule absorbe les photons d'énergies bien précises, ce qui permet de l'identifier ou de la doser (🔗 méthodes physiques d'analyse).

La cellule photovoltaïque et son rendement

Pour convertir l'énergie radiative du Soleil, il faut que les photons de la plus grande partie du spectre solaire aient une énergie supérieure à l'énergie nécessaire pour libérer les électrons du matériau : c'est le cas du silicium (environ 1,1 eV, soit λ < 1,1 µm). Une partie de l'énergie reçue est convertie en énergie électrique, le reste est dissipé sous forme de chaleur.

cellule photovoltaïque énergie radiative Preçue = E × S énergie électrique Pélec = U × I énergie thermique (pertes)
Le rendement η d'une cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance électrique fournie à la puissance lumineuse reçue :
\[ \eta = \dfrac{P_{\text{élec}}}{P_{\text{reçue}}} = \dfrac{U \times I}{E \times S} \]
U en V, I en A, S la surface de la cellule (en \(\mathrm{m^2}\)) et E l'éclairement (puissance lumineuse reçue par unité de surface, en \(\mathrm{W\cdot m^{-2}}\)).
  • Les panneaux du commerce ont un rendement d'environ 15 à 22 %.
  • Les photons d'énergie insuffisante (infrarouge lointain) ne sont pas convertis ; ceux qui ont trop d'énergie ne cèdent que l'énergie utile, le surplus chauffe la cellule.
  • Expérimentalement, on trace la caractéristique I = f(U) de la cellule éclairée et l'on cherche le point de fonctionnement où la puissance U × I est maximale.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Le photon

  • Particule de lumière : masse nulle, vitesse c dans le vide.
  • \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) ; \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\).
\( E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda} \)

Effet photoélectrique

  • Électrons arrachés à un métal par la lumière.
  • Seuil en fréquence, indépendant de l'intensité ; émission instantanée.
  • Expliqué par Einstein (1905) : un photon cède son énergie à un électron. Nobel 1921, dualité onde-particule.

Bilan d'énergie

  • φ : travail d'extraction, propre au métal.
  • Intensité → nombre d'électrons ; fréquence → énergie des électrons.
\[ \begin{aligned} & h\nu = \phi + E_{c\,\text{max}} \\ & \nu_0 = \dfrac{\phi}{h} \end{aligned} \]

Cellule photoélectrique

  • Photocathode éclairée + anode dans une ampoule vide.
  • Courant proportionnel au nombre de photons reçus : capteur de lumière.

Absorption et émission

  • Énergie de l'atome quantifiée : niveaux d'énergie.
  • Absorption : montée d'un niveau ; émission : descente.
  • Spectres de raies : signature de l'élément.
\( \Delta E = h\nu = \dfrac{hc}{\lambda} \)

Photovoltaïque

  • Énergie radiative → énergie électrique + chaleur.
  • E : éclairement en \(\mathrm{W\cdot m^{-2}}\) ; rendement de 15 à 22 %.
\( \eta = \dfrac{U \times I}{E \times S} \)

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur le photon et l'effet photoélectrique

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : Vrai ou faux sur l'effet photoélectrique

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 3 : QCM sur l'énergie du photon 🧮

📝 On considère un photon de longueur d'onde \(\lambda = 600\ \text{nm}\) dans le vide. Données : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) ; \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) ; \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\). Parmi les affirmations suivantes, lesquelles sont exactes ?
  • Son énergie vaut environ \(3{,}3 \times 10^{-19}\ \text{J}\).
  • Son énergie vaut environ \(3{,}3 \times 10^{-28}\ \text{J}\).
  • Son énergie vaut environ 2,1 eV.
  • Un photon ultraviolet transporte moins d'énergie que ce photon.
  • Sa masse est nulle.
  • Un photon de fréquence deux fois plus grande a une énergie deux fois plus grande.
  • Un photon de longueur d'onde deux fois plus grande a une énergie deux fois plus grande.

Exercice 4 : l'expérience de Hertz sur le zinc 📄 ✏️ 🧮


En 1887, Hertz éclaire une plaque de zinc. Le travail d'extraction du zinc vaut \(\phi = 4{,}3\ \text{eV}\). On dispose d'une lampe à vapeur de mercure qui émet un ultraviolet de longueur d'onde 254 nm, et d'un puissant projecteur de lumière visible de longueur d'onde 500 nm.

Données : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) ; \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) ; \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\) ; masse de l'électron \(m = 9{,}11 \times 10^{-31}\ \text{kg}\).


📖
1. Calculer, en eV, l'énergie d'un photon émis par chacune des deux sources.

UV : \(E = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{254 \times 10^{-9}} \approx 7{,}83 \times 10^{-19}\ \text{J} \approx 4{,}89\ \text{eV}\). Visible : \(E \approx 3{,}98 \times 10^{-19}\ \text{J} \approx 2{,}49\ \text{eV}\).

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2. Le projecteur est beaucoup plus puissant que la lampe UV. Laquelle des deux sources produit l'effet photoélectrique ? Justifier avec le modèle du photon.
💡 Indice Un électron n'absorbe qu'un seul photon : comparez l'énergie d'un photon au travail d'extraction.

Seule la lampe UV : 4,89 eV > 4,3 eV. Les photons du projecteur ont 2,49 eV < 4,3 eV ; un électron n'absorbant qu'un photon, aucun n'est arraché, quelle que soit la puissance du projecteur (elle ne fait qu'augmenter le nombre de photons).

📖
3. Calculer l'énergie cinétique maximale des électrons arrachés par la lampe UV, puis leur vitesse maximale.
💡 Indice \(E_{c\,\text{max}} = E - \phi\), à convertir en joules, puis \(E_c = \dfrac{1}{2} m v^2\).

\(E_{c\,\text{max}} = 4{,}89 - 4{,}3 \approx 0{,}59\ \text{eV} \approx 9{,}5 \times 10^{-20}\ \text{J}\), puis :

\[ v = \sqrt{\dfrac{2 E_c}{m}} = \sqrt{\dfrac{2 \times 9{,}5 \times 10^{-20}}{9{,}11 \times 10^{-31}}} \approx 4{,}6 \times 10^{5}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}} \]
📖
4. Calculer la longueur d'onde seuil du zinc. À quel domaine appartient-elle ?

\(\lambda_0 = \dfrac{hc}{\phi} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{4{,}3 \times 1{,}60 \times 10^{-19}} \approx 2{,}9 \times 10^{-7}\ \text{m} = 290\ \text{nm}\) : ultraviolet. Aucune lumière visible ne peut arracher d'électrons au zinc.

Exercice 5 : les raies visibles de l'hydrogène 📄 ✏️ 🧮


Les niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène sont : \(E_1 = -13{,}6\ \text{eV}\), \(E_2 = -3{,}39\ \text{eV}\), \(E_3 = -1{,}51\ \text{eV}\), \(E_4 = -0{,}85\ \text{eV}\), \(E_5 = -0{,}54\ \text{eV}\). Les raies visibles du spectre de l'hydrogène correspondent à des transitions qui aboutissent au niveau \(E_2\) (série de Balmer).

Données : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}\) ; \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\) ; \(1\ \text{eV} = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{J}\).


📖
1. Calculer l'énergie, en joules, du photon émis lors de la transition du niveau 4 au niveau 2.

\(\Delta E = E_4 - E_2 = -0{,}85 - (-3{,}39) = 2{,}54\ \text{eV} = 2{,}54 \times 1{,}60 \times 10^{-19} \approx 4{,}06 \times 10^{-19}\ \text{J}\).

📖
2. En déduire la longueur d'onde de la raie et sa couleur.

\(\lambda = \dfrac{hc}{\Delta E} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{4{,}06 \times 10^{-19}} \approx 4{,}89 \times 10^{-7}\ \text{m} = 489\ \text{nm}\) : raie bleu-vert (Hβ, mesurée à 486 nm).

📖
3. Une raie violette est observée à 436 nm. À quelle transition correspond-elle ?
💡 Indice Calculez l'énergie du photon en eV, puis cherchez le niveau \(E_n\) tel que \(E_n - E_2\) soit égal à cette énergie.

\(\Delta E = \dfrac{hc}{\lambda} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{436 \times 10^{-9}} \approx 4{,}56 \times 10^{-19}\ \text{J} \approx 2{,}85\ \text{eV}\). Or \(E_5 - E_2 = -0{,}54 + 3{,}39 = 2{,}85\ \text{eV}\) : transition 5 → 2.

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4. Un atome d'hydrogène dans son état fondamental peut-il absorber un photon de 2,54 eV ? Justifier.

Non : il atteindrait l'énergie \(-13{,}6 + 2{,}54 = -11{,}06\ \text{eV}\), qui ne correspond à aucun niveau. Un atome n'absorbe que les photons dont l'énergie est exactement égale à l'écart entre deux niveaux.

Exercice 6 : le rendement d'un panneau solaire 📄 ✏️ 🧮


Un panneau photovoltaïque de surface \(S = 1{,}7\ \mathrm{m^2}\) est testé sous un éclairement \(E = 1\,000\ \mathrm{W\cdot m^{-2}}\). À son point de puissance maximale, il délivre une tension \(U = 34\ \text{V}\) et un courant \(I = 10\ \text{A}\).


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1. Calculer la puissance lumineuse reçue et la puissance électrique fournie.

\(P_{\text{reçue}} = E \times S = 1\,000 \times 1{,}7 = 1\,700\ \text{W}\) ; \(P_{\text{élec}} = U \times I = 34 \times 10 = 340\ \text{W}\).

📖
2. Calculer le rendement du panneau.

\(\eta = \dfrac{340}{1\,700} = 0{,}20\), soit 20 %.

📖
3. Que devient le reste de l'énergie reçue ? Quelle conséquence pour le panneau ?

Les 1 360 W restants sont surtout dissipés sous forme de chaleur (et un peu réfléchis) : le panneau chauffe, ce qui diminue d'ailleurs son rendement. Les panneaux sont mieux ventilés pour cette raison.

📖
4. Le silicium ne libère des électrons qu'avec des photons d'énergie au moins égale à 1,1 eV. Quelle est la longueur d'onde maximale utile ? Les infrarouges lointains du rayonnement solaire sont-ils convertis ?
💡 Indice \(\lambda = \dfrac{hc}{E}\), avec E en joules.

\(\lambda_{\text{max}} = \dfrac{6{,}63 \times 10^{-34} \times 3{,}00 \times 10^{8}}{1{,}1 \times 1{,}60 \times 10^{-19}} \approx 1{,}1 \times 10^{-6}\ \text{m} = 1{,}1\ \mu\text{m}\). Les infrarouges de longueur d'onde supérieure ne sont pas convertis : c'est l'une des raisons du rendement limité.

Vers le bac

S'entraîner sur des sujets de bac

Vous maîtrisez le cours et les exercices du chapitre ? Passez maintenant aux exercices de bac sur l'effet photoélectrique. Le site Labolycée les regroupe par thème, avec leurs corrigés :

Conseil : cherchez chaque exercice en temps limité, comme le jour de l'épreuve, avant de regarder le corrigé.

⚠️ Attention aux unités : les énergies sont souvent données en électronvolts et les longueurs d'onde en nanomètres. Convertissez en joules et en mètres avant d'utiliser \(E = \dfrac{hc}{\lambda}\).
Un exercice de bac porte rarement sur un seul chapitre : certaines questions peuvent faire appel à d'autres notions du programme (spectroscopie, énergie, incertitudes…). Ne vous inquiétez pas si l'une d'elles vous semble hors sujet : elle sera traitée dans un autre chapitre.