Effet photoélectrique

L'effet photoélectrique désigne l'éjection d'électrons depuis la surface d'un métal lorsqu'elle est éclairée par une lumière dont la fréquence dépasse une fréquence seuil critique f0. La théorie classique des ondes prédisait que toute fréquence lumineuse, pour une intensité suffisante, finirait par éjecter des électrons. L'explication quantique d'Einstein en 1905 montra au contraire que la lumière est constituée de photons discrets portant chacun une énergie E = hf, où h = 6,626 x 10^-34 J s (4,136 x 10^-15 eV s). Un électron n'est éjecté que si un seul photon transporte suffisamment d'énergie pour surmonter le travail de sortie phi du matériau : la condition seuil est hf0 = phi. Au-delà de f0, l'énergie cinétique maximale des électrons éjectés suit KEmax = h(f - f0), une droite de pente h et d'ordonnée à l'origine nulle en f0. L'ordonnée à l'origine donne directement phi, faisant de cette expérience une mesure précise de la constante de Planck et un outil de détermination des travaux de sortie de surface. Le sodium possède phi = 2,3 eV (seuil ~0,56 x 10^15 Hz, UV mou), l'aluminium 4,1 eV (UV profond) et le platine 5,7 eV (nécessitant des rayons X).

L'effet photoélectrique a joué un rôle fondateur dans l'établissement de la mécanique quantique. Les mesures méticuleuses de Millikan en 1916 confirmèrent la relation linéaire KEmax vs f d'Einstein avec une pente correspondant à h à 1 % près, mais Millikan demeura réticent à accepter le modèle photonique qu'il avait lui-même vérifié. Einstein reçut le prix Nobel de physique de 1921 précisément pour cette découverte, et non pour la relativité. Aujourd'hui, l'effet photoélectrique constitue le principe de fonctionnement des tubes photomultiplicateurs (détection de photon unique en physique des particules et en tomographie par émission de positons médicale), des dispositifs à transfert de charge (CCD en astronomie et en photographie numérique) et de la spectroscopie de photoélectrons X (XPS), qui cartographie la composition élémentaire des surfaces en mesurant les décalages de KEmax. Dans les cellules photovoltaïques, les photons absorbés excitent des électrons à travers la bande interdite d'un semi-conducteur plutôt qu'un travail de sortie métallique, mais la même quantification E = hf régit la tension maximale que la cellule peut produire. La longueur d'onde de coupure pour les cellules solaires au silicium (bande interdite de 1,12 eV) est de 1107 nm, définissant le front d'absorption dans l'infrarouge.