Un MOOC pour la Physique

L'effet photoélectrique fut découvert par hasard par Heinrich Hertz alors qu'il cherchait à mettre en évidence les ondes électromagnétiques prédites par la théorie de Maxwell.

Cependant il n'accorda pas beaucoup d'attention à ce phénomène.

Son étude systématique fut entreprise par Lenard .

Une plaque de métal éclairée par un faisceau lumineux de fréquence émet dans certaines conditions des électrons :

• En deçà d'une certaine valeur seuil de la fréquence du rayonnement, notée , aucun électron n'est émis,

• L'émission d'électrons n'est pas conditionnée par l'intensité du rayonnement mais uniquement par sa fréquence.

  Ainsi, si l'on augmente très sensiblement l'intensité du rayonnement à une fréquence inférieure au seuil d'émission des électrons, aucun électron n'est émis.

Dans un cadre classique, on peut expliquer l'émission des électrons en invoquant le fait que le rayonnement apporte de l'énergie aux atomes.

Au bout d'un certain temps, la quantité d'énergie transférée aux atomes est suffisante pour en arracher les électrons périphériques.

Cependant, cette émission n'est en rien conditionnée par la fréquence du rayonnement mais plutôt par son intensité, c'est-à-dire par la quantité d'énergie qu'il est susceptible de communiquer aux atomes.

Ainsi, cet effet devrait être observé pour toutes les fréquences de rayonnement.

L'expérience montre clairement qu'il n'en est rien.

Le seuil d'énergie au delà duquel des électrons sont émis s'explique très simplement en supposant que les électrons se trouvent dans un état lié au sein des atomes.

La valeur de l'énergie de liaison est une caractéristique propre à chaque élément, notée .

Einstein , en 1905, eut l'idée d'introduire le concept, alors tout jeune, de quanta.

A la différence de l'interprétation classique, qui supposait que l'apport d'énergie du rayonnement s'opérait continûment, la théorie des quanta proposait que l'échange d'énergie entre la matière et le rayonnement ne pouvait s'effectuer que par paquets finis de valeur , où est la fréquence des ondes électromagnétiques.

En appliquant cette idée, Einstein put déterminer l'énergie cinétique des électrons émis :

, fréquence à partir de laquelle l'effet photoélectrique est observé, correspond à une énergie cinétique d'émission des électrons nulle, par conséquent :

valeur en parfait accord avec les mesures expérimentales.

L'interprétation d'Albert Einstein de l'effet photoélectrique ne se résume pas à une simple application de l'hypothèse des quanta de Max Planck.

Certes, elle constitue une éclatante confirmation de cette hypothèse mais Einstein a sensiblement détourné le sens physique que lui avait conféré Planck.

En effet, selon Max Planck, les quanta reflétaient la manière dont la matière interagissait avec le rayonnement électromagnétique ; le rayonnement conservait sa nature continue mais il était censé être absorbé et émis par paquets, donc de façon discontinue.

Ce que dit l'interprétation d'Einstein est radicalement différent.

La lumière est constituée de paquets d'énergie qui sont absorbés et émis par la matière.

La nature discontinue des quanta n'est alors plus une propriété de l'interaction entre la matière et le rayonnement mais une caractéristique intrinsèque au rayonnement lui même.

Un an après la parution de son article sur l'interprétation de l'effet photoélectrique, Albert Einstein poussa encore plus loin son idée et formula l'hypothèse selon laquelle la lumière (ou tout rayonnement électromagnétique) était composée de grains ou corpuscules.

Il baptisa ces grains de lumière du nom de photons.

Cette hypothèse était tout simplement révolutionnaire car elle défiait ouvertement l'un des piliers de la physique du XIXe siècle : la théorie de l'électromagnétisme de Maxwell.

Cette théorie avait démontré, en parfait accord avec des expériences de l'époque, que la lumière était une onde électromagnétique.

De nombreuses expériences comme celles menées par Young sur les interférences (expérience des fentes ou des trous d'Young), celles de Fresnel sur la diffraction, avaient solidement établi la nature ondulatoire de la lumière.

Il pouvait donc paraître aberrant de proposer un modèle corpusculaire de la lumière.

Pourtant l'effet photoélectrique ne pouvait être appréhendé correctement sans l'introduction des photons.