📘 La description de la lumière par un flux de photons

La lumière possède une nature duale : onde électromagnétique et flux de particules (photons). L’effet photoélectrique a mis en évidence le modèle particulaire. Les photons interagissent avec la matière par absorption et émission.

📐 I. L’effet photoélectrique

Lorsqu’un métal est éclairé par un rayonnement de fréquence suffisante, des électrons sont arrachés : c’est l’effet photoélectrique.
Observation clé : l’effet ne dépend pas de l’intensité lumineuse mais de la fréquence. En dessous d’une fréquence seuil ν₀, aucun électron n’est arraché, quelle que soit l’intensité.

Modèle du photon (Einstein, 1905) : la lumière est constituée de grains d’énergie, les photons. Énergie d’un photon :
E = h × ν = h × c / λ
Avec h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s (constante de Planck), ν la fréquence (Hz), c = 3 × 10⁸ m·s⁻¹, λ la longueur d’onde.

Travail d’extraction W : énergie minimale pour arracher un électron d’un métal.
Condition d’effet photoélectrique : E = hν ≥ W → ν ≥ ν₀ = W/h.
Énergie cinétique max de l’électron arraché : Ec_max = hν − W.

📐 II. Quantification de l’énergie d’un atome

L’énergie d’un atome est quantifiée : elle ne peut prendre que des valeurs discrètes E₁, E₂, E₃, … (niveaux d’énergie).
L’état fondamental est le niveau d’énergie le plus bas.

Absorption d’un photon : un atome absorbe un photon d’énergie hν = E_supérieur − E_inférieur et passe à un niveau d’énergie supérieur (état excité).
Émission d’un photon : un atome excité revient à un niveau inférieur en émettant un photon d’énergie hν = E_supérieur − E_inférieur.
Spectres d’émission et d’absorption : raies caractéristiques de chaque élément.

📐 III. Applications

• LED (Diode électroluminescente) : émission de lumière par recombinaison électron-trou dans un semi-conducteur. Énergie du photon émis = gap du semi-conducteur.
• Cellule photovoltaïque : un photon crée une paire électron-trou → courant électrique. Rendement limité par le gap.
• Capteurs de lumière (photodiodes) : utilisent l’effet photoélectrique pour détecter la lumière.

💡 À retenir

• Énergie d’un photon : E = hν = hc/λ ; h = 6,63 × 10⁻³⁴ J·s.
• Effet photoélectrique : hν ≥ W (travail d’extraction).
• Énergie quantifiée : absorption/émission = hν = ΔE.
• LED : recombinaison → photon d’énergie = gap.