La lumière, un flux de photons
Modèle ondulatoire et modèle particulaire de la lumière, énergie des photons, effet photoélectrique, absorption, émission et applications aux capteurs et panneaux solaires.
Physique – Lumière et matière
En résumé
La lumière peut être décrite comme une onde électromagnétique, mais certains phénomènes imposent aussi un modèle particulaire : elle est alors considérée comme un flux de photons. Chaque photon transporte une énergie quantifiée, proportionnelle à la fréquence de la radiation.
Ce qu’il faut savoir faire
- Relier fréquence, longueur d’onde et célérité : c = λν.
- Calculer l’énergie d’un photon avec E = hν ou E = hc/λ.
- Interpréter l’effet photoélectrique avec le modèle particulaire de la lumière.
- Utiliser le bilan énergétique hν = Wₑ + Ec,max.
- Expliquer l’absorption et l’émission de photons par un atome.
- Relier spectres d’émission ou d’absorption aux transitions énergétiques.
- Comprendre le principe des cellules photovoltaïques, photodiodes, photorécepteurs et capteurs CMOS.
1. Vu en 1re : la lumière
La lumière est une onde électromagnétique. Dans le vide, elle se propage à la célérité :
Pour une radiation monochromatique :
où λ est la longueur d’onde et ν la fréquence. Le photon associé à cette radiation possède une énergie :
avec h = 6,626×10⁻³⁴ J·s.
2. L’effet photoélectrique
a. Définition
L’effet photoélectrique est l’éjection d’électrons d’un métal sous l’effet d’un rayonnement lumineux dont la fréquence est suffisante. Ce phénomène ne s’explique pas correctement par un modèle purement ondulatoire : il met en évidence le caractère particulaire de la lumière.
b. Condition d’émission
Un électron ne peut être arraché au métal que si l’énergie du photon est au moins égale au travail d’extraction Wₑ du métal.
Si hν < Wₑ, aucun électron n’est éjecté, même si l’intensité lumineuse est grande. Si hν ≥ Wₑ, l’électron peut être extrait.
c. Bilan énergétique
L’énergie du photon incident sert à extraire l’électron du métal puis à lui donner une énergie cinétique maximale :
3. Absorption et émission de photons
a. Absorption de photons
Un atome, une molécule ou un matériau peut absorber un photon si son énergie correspond à l’écart entre deux niveaux d’énergie. L’absorption provoque alors une transition vers un niveau d’énergie plus élevé.
b. Émission de photons
Lorsqu’un système passe d’un niveau d’énergie élevé vers un niveau plus bas, il peut émettre un photon. L’énergie du photon émis correspond à la différence entre les deux niveaux :
c. Spectres
Les atomes possèdent des niveaux d’énergie quantifiés. Ils absorbent ou émettent donc seulement certaines radiations. C’est l’origine des spectres de raies, qui permettent d’identifier des espèces chimiques.
4. Applications : capteurs, cellules photovoltaïques et DEL
a. Cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque convertit une partie de l’énergie lumineuse reçue en énergie électrique. Des photons incidents créent des porteurs de charge dans un matériau semi-conducteur, ce qui permet l’apparition d’un courant électrique.
b. Photodiode, photorécepteur et capteur CMOS
Une photodiode est un composant dont les propriétés électriques dépendent de la lumière reçue. Les photorécepteurs de l’œil, les capteurs d’appareils photo et les capteurs CMOS exploitent cette interaction lumière-matière.
c. DEL et émission de photons
Une diode électroluminescente émet des photons lorsqu’elle est traversée par un courant électrique. La couleur de la lumière émise dépend de l’énergie des photons produits, donc de la longueur d’onde.
Mots-clés à connaître
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Carte mentale de synthèse
Méthode express
Phrase modèle : Le phénomène étudié nécessite le modèle particulaire de la lumière : chaque photon transporte une énergie E = hν. Si cette énergie est suffisante, elle peut provoquer une transition énergétique ou l’extraction d’un électron.
Erreurs fréquentes
QCM interactif
Clique sur une réponse : la case devient verte si c’est juste, rouge si c’est faux.
1. La lumière transporte de l’énergie sous forme de…
2. L’énergie d’un photon est donnée par…
3. Si la longueur d’onde λ diminue, l’énergie du photon…
4. Dans l’effet photoélectrique, un électron est éjecté si…
5. L’effet photoélectrique met en évidence…
6. Un photon associé à une radiation rouge a en général une énergie…
7. Lorsqu’un atome absorbe un photon, il peut passer…
8. Lorsqu’un atome émet un photon, il passe…
9. L’énergie émise ou absorbée lors d’une transition atomique vaut…
10. Le spectre d’émission d’un atome est…
Mini-entraînement
Essaie d’abord de répondre seul, puis clique sur Soluce.
Exercice 1
Calculer l’énergie d’un photon de fréquence ν = 5,0×10¹⁴ Hz.
Correction : E = hν = 6,626×10⁻³⁴ × 5,0×10¹⁴ = 3,31×10⁻¹⁹ J.
Exercice 2
Une radiation a pour longueur d’onde λ = 600 nm. Calculer l’énergie d’un photon.
Correction : λ = 600×10⁻⁹ m. E = hc/λ = 6,626×10⁻³⁴ × 3,00×10⁸ / 600×10⁻⁹ = 3,31×10⁻¹⁹ J.
Exercice 3
Un métal a un travail d’extraction Wₑ = 3,0×10⁻¹⁹ J. Un photon d’énergie 2,5×10⁻¹⁹ J peut-il extraire un électron ?
Correction : non, car E photon < Wₑ. L’énergie du photon est insuffisante.
Exercice 4
Un photon d’énergie 4,0×10⁻¹⁹ J frappe un métal de travail d’extraction Wₑ = 2,5×10⁻¹⁹ J. Calculer l’énergie cinétique maximale de l’électron.
Correction : Ec,max = hν − Wₑ = 4,0×10⁻¹⁹ − 2,5×10⁻¹⁹ = 1,5×10⁻¹⁹ J.
Exercice 5
Un atome passe d’un niveau E₂ à un niveau E₁ plus bas. Que se passe-t-il ?
Correction : l’atome émet un photon dont l’énergie vaut |E₂ − E₁| = hν = hc/λ.
La lumière transporte son énergie par photons : plus la fréquence est grande, plus chaque photon est énergétique.