Effet photoélectrique

En 1839, Antoine Becquerel et son fils Alexandre Edmond présentent pour la première fois un effet photoélectrique. Leur expérience permet d'observer le comportement électrique d'électrodes immergées dans un liquide, modifié par un éclairage.

Il a été compris et présenté en 1887 par Heinrich Hertz qui en publia les résultats dans la revue scientifique Annalen der Physik[1]. Grâce à l'effet photoélectrique, il est alors devenu possible d'obtenir des rayons cathodiques de faible énergie cinétique (ce qui sera interprété ensuite comme un faisceau d'électrons « lents » ) pour étudier la propagation dans le vide ; rayons que, par commutation d'un champ électrique, on pouvait réfracter ou ralentir à volonté, au point d'annihiler, voire de réfléchir le rayon. Ces nouvelles possibilités eurent bientôt une multitude d'applications techniques, comme le redressement du courant alternatif, l'amplification de signaux faibles en TSF ou la génération d'ondes porteuses non atténuées dans l'émission radio[2] (1913).

Mais les mesures faites sur l'effet photoélectrique entraient en contradiction avec la théorie classique de l'émission. En effet, la valeur de l'intervalle de temps nécessaire à ce que les électrons soient éjectés, obtenue par les calculs de la mécanique newtonienne, était beaucoup plus grande que la valeur expérimentale. C'est cette contradiction qui inspira Einstein pour interpréter cet effet photoélectrique.

Ainsi, Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantum d'énergie initialement introduits par Max Planck en 1900 dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pour l'émission du corps noir[3]. Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette explication lui valut le prix Nobel de physique en 1921[4].

L'effet photoélectrique est un phénomène physique dans lequel un matériau, généralement métallique, émet des électrons. Il se produit lorsque le matériau est exposé à la lumière ou à un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée; ce seuil de fréquence, non prévu par la mécanique classique, dépend du matériau.

1. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence de seuil.
2. Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l'énergie de liaison des électrons qui peuvent être émis.
3. Le nombre d'électrons émis par unité de temps lors de l'exposition à la lumière, qui détermine l'intensité du courant électrique, est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse.
4. La vitesse des électrons émis ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse.
5. L'énergie cinétique des électrons émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente.
6. Le phénomène d'émission photoélectrique se produit dans un délai extrêmement petit inférieur à 10^-9 s après l'éclairage, ce qui rend le phénomène quasi instantané.

Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfaisante lorsqu'on considère que la lumière est une onde. La théorie acceptée en 1905 (avant le modèle d'Einstein), l'électromagnétisme classique de James Clerk Maxwell, permettait bien d'expliquer la plupart des phénomènes optiques ; mais si l'on considère la lumière comme une onde, en augmentant son intensité et en attendant suffisamment longtemps, on devrait pouvoir fournir suffisamment d'énergie au matériau pour en libérer des électrons. Or l'expérience montre que l'intensité lumineuse n'est pas le seul paramètre, et que le transfert d'énergie provoquant la libération des électrons ne peut se faire qu'à partir d'une certaine fréquence.

L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau

L'interprétation d’Einstein, l'absorption d'un photon, explique parfaitement toutes les caractéristiques de ce phénomène. Les photons de la source lumineuse possèdent une énergie caractéristique déterminée par la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci est suffisante, l'électron est éjecté; sinon l'électron ne peut s'échapper du matériau. Comme une augmentation de l'intensité de la source lumineuse ne change pas l'énergie des photons mais seulement leur nombre, on comprend aisément que l'énergie des électrons émis par le matériau ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse.

Après l'absorption du photon par l'atome, le photoélectron émis a une énergie

${\displaystyle E_{e}=E_{g}-E_{b}}$

où ${\displaystyle E_{b}}$ est l'énergie de liaison du photoélectron et ${\displaystyle E_{g}}$ l'énergie du photon absorbé.

L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace croît rapidement avec le numéro atomique Z :

${\displaystyle \sigma _{PE}={\frac {Z^{n}}{{E_{g}}^{3.5}}}}$

où ${\displaystyle n}$ varie de 4 à 5.

À des énergies et des numéros atomiques où ce processus est important, l'électron émis est absorbé sur une distance très courte de telle manière que toute son énergie est enregistrée dans le détecteur. Les rayons X qui sont émis dans la réorganisation du cortège électronique à la suite de l'émission de l'électron sont également absorbés dans le milieu.

Dans la littérature, "Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students. E.B. Podgorsak", il est également possible de trouver cette équation :

${\displaystyle \sigma _{PE}={\frac {Z^{4}}{{E_{g}}^{3}}}}$

L'énergie d'un photon est caractérisée par la formule ${\displaystyle E=h\nu }$, hypothèse posée par Planck. ${\displaystyle E}$ correspond à l'énergie du photon, ${\displaystyle \nu }$ (lettre grecque nu) est la fréquence et ${\displaystyle h}$ est la constante de Planck qui vaut 6,626 076 × 10⁻³⁴ J.s. On constate que l'énergie du photon est proportionnelle à la fréquence et varie donc en fonction de la couleur[5].

La démonstration d'Einstein est fondée sur l'hypothèse d'électrons liés à des atomes indépendants à l'intérieur d'un métal. On sait maintenant que les électrons forment un plasmon à la fréquence de l'onde électromagnétique. Le problème est donc complexe.

- Effet photoélectrique externe : un tube photomultiplicateur (PMT en anglais) est une application directe de cet effet. L'électron créé par le rayonnement incident est ensuite multiplié grâce à un système de dynodes, à tension progressive.

- Effet photoélectrique interne : il se déroule dans un semi-conducteur. C'est l'excitation d'un électron dans la bande de conduction qui donne en général lieu à un courant. Celui-ci peut être mesuré pour servir de détecteurs (photodiode, cellule photoélectrique) ou récolté pour fournir de l'électricité (cellule photovoltaïque).