Physique Quantique : de la base aux nouvelles technologies

Exercices : l'effet photoélectrique

Exercice : expérience de Millikan (1916)

En 1916, Millikan se propose de tester le modèle d’Einstein pour expliquer l’effet photoélectrique, en réalisant l’expérience suivante :

il reprend le montage précédent mais rajoute sur le circuit une source de tension qui polarise l'ampoule photoélectrique.

Question

1- On se place dans le cas où la fréquence est sous la tension seuil. Le fait d’appliquer une tension change-t-elle quelque chose ?

- OUI ?

- NON ?

Solution

On se place cette fois dans le cas où la fréquence est supérieure à la fréquence seuil.

Question

2- On applique une tension positive, à savoir V+ sur le collecteur et V- sur l’émetteur. Observe-t-on un courant ?

- OUI TOUJOURS ?

- NON JAMAIS ?

- CA DEPEND DE LA TENSION ?

Solution

Question

3- Même question en appliquant une tension négative.

- OUI TOUJOURS ?

- NON JAMAIS ?

- CA DEPEND DE LA TENSION ?

Solution

Question

4- Ecrire la relation entre l’énergie cinétique de l’électron arrivant sur le collecteur, son énergie initiale, et la tension appliquée aux bornes de l’ampoule

Indice

Solution

Question

5- A partir de quelle tension le courant s’annule-t-il ?

Solution

Question

6- On prend maintenant en compte l’hypothèse d’Einstein, à savoir que la lumière est constituée de particules d’énergie indivisible, qui peuvent être complètement absorbées par les électrons de l’émetteur. En supposant qu’il faut fournir en plus un certain travail dit de sortie pour faire sortir l’électron de la matière, que l’on notera W, donner la relation entre l’énergie de l’électron sortant de l’émetteur, l’énergie lumineuse, et le travail de sortie. Faire un schéma du processus

Indice

Solution

Question

7- Donner la fréquence seuil à tension nulle pour observer un courant

Indice

Solution

Question

8- Ecrire alors l’énergie cinétique des électrons arrivant sur l’émetteur en fonction de la fréquence et de la tension appliquée

Solution

Question

9- A une fréquence fixée au dessus du seuil, donner la valeur de la tension appliquée aux bornes de l’ampoule qui permettra d’annuler le courant.

Solution

Question

10- En déduire une méthode, proposée par Millikan, pour vérifier la théorie d’Einstein

Indice

Solution

Question

11- Millikan utilise comme électrode émettrice plusieurs métaux. Que doit-il observer compte tenu de la question précédente ?

Solution

Question

12- A partir du graphe original obtenu par Millikan donné ci-dessous, calculer la constante de Planck ainsi obtenue. Comparer à la valeur obtenue par l’expérience du rayonnement du corps noir. Donner également les valeurs des travaux de sortie, en eV, dans son expérience.

image

Solution

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