L'effet photoélectrique

L'émission d'électrons  n'a lieu qu'au-delà d'un certain seuil d'intensité de cette lumière. On constate ensuite que l'intensité de la lumière incidente n'affecte pas l'énergie cinétique des électrons émis, comme on aurait pu s'y attendre, mais seulement leur nombre. Cela ne pouvait pas être expliqué par les lois de la physique classique. Selon l'électromagnétisme classique, l'énergie d'une onde lumineuse est répartie continûment, et l'intensité de la lumière (sa puissance) devrait être le facteur principal dans l'émission des électrons. Ainsi, on s'attendait à ce que, quelle que soit la fréquence de la lumière, une intensité suffisamment grande finisse, à partir d'un certain moment,  par libérer des électrons du métal.

Cependant, les expériences ont montré des résultats contradictoires avec cette vision. Premièrement, il n'y avait aucun délai observable dans l'émission des électrons : dès que la lumière était appliquée, des électrons étaient émis instantanément, même si l'intensité était faible. Deuxièmement, aucun électron n'était émis si la fréquence de la lumière était en dessous d'un certain seuil, quelle que soit l'intensité. Enfin, l'énergie cinétique maximale des électrons dépendait uniquement de la fréquence de la lumière incidente, et non de son intensité.

Pour expliquer cela, Albert Einstein a proposé en 1905 une hypothèse fondée sur l'idée de Max Planck que l'énergie électromagnétique est émise ou absorbée par paquets discrets appelés quanta. Einstein a suggéré que la lumière est constituée de particules, qu'on appelera plus tard de photons, chacun porteur une énergie E proportionnelle à sa fréquence ν selon la relation E= hν, où h est une constante qui a les dimensions d'une action, et qui est nommée quantum d'action ou constante de Planck.

Lorsqu'un photon frappe un électron dans le métal, il peut lui transmettre toute son énergie. Si cette énergie dépasse l'énergie minimale requise pour extraire l'électron du métal (appelée fonction de travail, notée ϕ), alors l'électron est éjecté avec une énergie cinétique égale à la différence entre l'énergie du photon et cette fonction de travail :

Si hν < ϕ, l'électron ne peut pas être arraché, quel que soit le nombre de photons ou leur intensité.

Cette explication a été une avancée majeure car elle démontrait que la lumière possède une nature corpusculaire en plus de son comportement ondulatoire, révélant sa dualité onde-corpuscule. L'effet photoélectrique a constitué l'une des premières preuves expérimentales du caractère quantique du rayonnement électromagnétique. Il a également permis de mesurer la constante de Planck avec précision et a joué un rôle central dans la naissance de la mécanique quantique. Pour cette contribution, Einstein a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

L'effet photoélectrique trouve de nombreuses applications pratiques dans divers domaines. Il est utilisé dans les cellules photovoltaïques pour convertir l'énergie lumineuse en électricité, ce qui constitue le fondement des panneaux solaires.  En optique, les cellules photoélectriques servent à mesurer l'intensité lumineuse. Dans le domaine de la spectroscopie, l'effet photoélectrique est employé pour analyser la composition chimique des matériaux. Dans le domaine de la sécurité, les détecteurs de fumée à faisceau infrarouge exploitent cet effet pour déceler les particules de fumée en perturbant un rayon laser. L'effet photoélectrique joue un rôle dans les systèmes de verrouillage automatique des portes et les détecteurs de mouvement. Les capteurs numériques, tels que ceux utilisés dans les scanners et les lecteurs de codes-barres, reposent  sur ce principe pour lire et analyser les informations. 

Plusieurs phénomènes naturels impliquent aussi l'effet photoélectrique. Exemples : lorsque les rayons du soleil frappent la surface des feuilles des plantes, elles peuvent déclencher un phénomène photoélectrique en libérant des électrons des atomes de la chlorophylle, un processus principalement exploité pour la photosynthèse. Dans les océans, certaines algues et organismes marins utilisent des protéines photosensibles capables d'interagir avec la lumière pour produire une réaction chimique similaire au phénomène photoélectrique. Les nuages de poussière dans l'espace, lorsqu'ils sont exposés à la lumière stellaire intense, peuvent également émettre des électrons par effet photoélectrique. Dans les atmosphères des étoiles, les photons de haute énergie interagissent avec les électrons des atomes, provoquant leur éjection. Cette interaction joue un rôle dans la dynamique des chromosphères stellaires. Sur les planètes ou les satellites avec une atmosphère mince, les rayons cosmiques (composante gamma) et les rayonnement solaire peuvent interagir avec la surface rocheuse ou le sol, provoquant l'émission d'électrons par effet photoélectrique. Dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre, des molécules d'oxygène et d'azote peuvent être excitées par la lumière solaire, libérant des électrons et contribuant ainsi à la formation de courants ionisés, participant ainsi aux processus de formation des nuages et des orages.