2 - L'effet photoélectrique

Un autre phénomène était observé à l’époque : l’effet photoélectrique. Du point de vue qualitatif, il ne posait pas de problème de fond aux savants de l'époque mais d’un point de vue quantitatif la situation était plutôt mystérieuse. L’expérience est la suivante : en envoyant de la lumière sur une plaque métallique, et en plaçant un collecteur sous vide près de cette plaque, on peut détecter un courant. Le Schéma de principe est donné sur la figure 2.

Que des électrons soient arrachés du métal par des photons n’est pas surprenant dans le schéma classique puisqu’on sait que la lumière est caractérisée par un champ électrique qui peut exercer une force sur les électrons. En revanche, ce qui est plus étonnant dans ce type d’expérience est que ce n’est pas l’intensité du rayonnement incident qui est le facteur prépondérant mais plutôt sa fréquence. Ainsi, en dessous d’une certaine fréquence du rayonnement incident, aucun électron n’est éjecté, même pour une forte intensité du rayonnement incident ! Dans le même ordre d’idée, si on se place au-dessus de la fréquence pour laquelle apparaît un courant, on peut alors détecter l’énergie cinétique des électrons émis. On s’attend en théorie classique à ce que cette énergie cinétique augmente lorsqu’on augmente l’intensité du rayonnement (pour une fréquence fixée). Il n’en est rien : le nombre d’électrons détectés augmente, mais leur énergie cinétique est fixe !

Le véritable premier pas conceptuel fut donné (encore !) par Albert Einstein en 1905 pour expliquer l’effet photoélectrique. Il propose en effet de considérer que la lumière est transmise à la matière par paquets d’amplitude :

Ceci revient en fait à considérer un rayonnement de fréquence comme une assemblée de particules ayant chacune l’énergie . Cette quantité appelée plus tard quantum d’énergie peut alors être entièrement captée par un électron lui permettant ainsi de sortir du métal. Cette hypothèse explique bien la dépendance en fréquence de l’effet photoélectrique, puisque si la fréquence et donc l’énergie est en dessous d’une valeur seuil nécessaire à vaincre l’attraction du noyau des atomes constituant le métal , l’électron ne sort pas.

Voir l'animation : Interprétation par A. Einstein de l'effet photoélectrique