L'effet photoélectrique

Une expérience qui met la physique classique en échec

À la fin du XIXe siècle, la lumière est solidement décrite comme une onde (interférences, diffraction). Mais une expérience résiste : quand on éclaire une plaque métallique, elle peut éjecter des électrons. C'est l'effet photoélectrique.

     lumiere incidente
        \  \  \  \
         \  \  \  \        e-  (electron ejecte)
          v  v  v  v      /
     ====================
     |||||  METAL  |||||   <- plaque metallique
     ====================

Ce que la théorie ondulatoire prédit... et qui est faux

Si la lumière était une simple onde, son énergie dépendrait de son intensité (sa brillance). On s'attendrait donc à ce que :

• une lumière plus intense arrache des électrons plus énergétiques ;
• n'importe quelle couleur finisse par marcher, s'il on attend assez ou qu'on éclaire assez fort.

L'expérience dit exactement le contraire :

   Observation                          Prediction ondulatoire
   -----------------------------------  ----------------------------
   En dessous d'une frequence seuil,    "Assez d'intensite finit
   AUCUN electron, meme tres intense    toujours par marcher"     -> FAUX

   Au dessus du seuil, l'energie des     "L'intensite fixe
   electrons depend de la FREQUENCE,     l'energie des electrons"  -> FAUX
   pas de l'intensite

   L'ejection est INSTANTANEE            "Il faut un temps de charge" -> FAUX

Il existe une fréquence seuil en dessous de laquelle rien ne se passe, quelle que soit l'intensité. Une lumière rouge très puissante n'arrache rien, alors qu'une faible lumière ultraviolette y parvient aussitôt.

L'explication d'Einstein (1905) : la lumière est grenue

Einstein propose une idée radicale : la lumière n'arrive pas de façon continue, mais par grains d'énergie indivisibles, les photons. L'énergie d'un photon ne dépend que de la fréquence f de la lumière :

   E = h × f

où h est la constante de Planck (h ≈ 6,63 × 10^-34 J·s), une des constantes fondamentales de l'univers.

Un électron est éjecté quand un seul photon lui cède toute son énergie d'un coup. C'est du tout ou rien :

   photon (E = hf)                   e- ejecte si  hf > W
        \                           /              (W = travail d'extraction)
         v                         /
      --- e- ---  (lie au metal)

• Si hf est inférieur au travail d'extraction W (l'énergie qui retient l'électron), le photon n'a pas assez d'énergie : rien ne se passe, même avec des milliards de photons. Voilà la fréquence seuil.
• Si hf dépasse W, l'électron part, et son énergie cinétique vaut le surplus :

   E_cinetique = hf - W

Augmenter l'intensité, c'est envoyer plus de photons : donc plus d'électrons éjectés, mais pas plus énergétiques. Augmenter la fréquence, c'est rendre chaque photon plus énergétique : donc des électrons plus rapides. Tout colle enfin.

En résumé

L'effet photoélectrique ne s'explique pas si la lumière est une onde continue. Einstein l'a résolu en postulant que la lumière est faite de photons, grains d'énergie E = hf. Un électron n'est éjecté que si un photon lui apporte, d'un coup, plus que le travail d'extraction. C'est la première preuve que la lumière a une nature corpusculaire.