Médaille
N°1 pour apprendre & réviser du collège au lycée.

Modèle corpusculaire de la lumière : le photon

Déjà plus de

1 million

d'inscrits !

La lumière est constituée de photons

Le photon et ses propriétés

  • Le photon est un quantum d’énergie (« petit paquet ») associé au rayonnement électromagnétique et qui se comporte comme une particule élémentaire.
  • Le photon est la particule qui constitue la lumière. Il n’est pas chargé, n’a pas de masse et son énergie diminue quand sa fréquence diminue et quand sa longueur d’onde augmente.
  • Son énergie EE se calcule en J\text{J}, par la relation de Planck-Einstein :

E=h×ν=h×cλ\begin{aligned}E&=\text{h}\times\nu\ &=\dfrac{\text{h} \times c}{\lambda}\end{aligned}

Interaction photon-matière

  • En changeant de niveau d’énergie, un électron en orbite autour de son noyau opère une transition d’un état vers un autre.
  • Quand un photon est envoyé sur un atome, ce dernier l’absorbe. Cette absorption d’énergie permet à l’électron de passer à un état plus excité que celui où il se trouvait initialement.
    L’énergie du photon doit être exactement égale à :

E=E2E1E=E2 - E1

  • Quand un électron se trouve dans un état excité, d’énergie E2E2, il cherche à gagner en stabilité d’énergie inférieure E1E1. Cette désexcitation a pour conséquence l’émission d’un photon d’énergie EE.
    Le photon émis aura une énergie égale à :

E=E2E1E= E2 - E1

L’effet photoélectrique

  • L’effet photoélectrique s’explique en considérant la lumière comme une onde et un corpuscule. Cette dualité de la nature de la lumière provient des théories d’Einstein.

Alt texte

  • L’effet photoélectrique est la création d’un courant électrique, lorsqu’un matériau (souvent métallique) est soumis à un rayonnement lumineux d’énergie E>E1E>\vert E_1\vert.
  • Quand un photon heurte un électron, l’énergie transmise doit est suffisamment grande, car une partie sera utilisée pour extraire l’électron de son atome, c’est ce qu’on appelle le travail d’extraction WsW_{\text{s}}.
  • Pour observer un effet photoélectrique, il faut que la fréquence des photons incidents νphoton\nu{\text{photon}} soit supérieure ou égale à une fréquence seuil ν0\nu0.
  • La fréquence seuil ν0\nu_0 est caractéristique du matériau et dépend de l’énergie d’interaction électromagnétique qui maintient l’électron au sein de son atome dans le matériau.
  • La loi de conservation de l’énergie induit que l’énergie du photon incident, exprimée en J\text{J}, est égale à :

Ephoton incident=Ws+EcE{\text{photon\ incident}}=W{\text{s}}+E_c

  • L’énergie cinétique de l’électron éjecté est égale à :

Ec=12meve2Ec= \dfrac{1}{2}m\text{e} v_\text{e}^2

  • L’énergie cinétique des électrons est dépendante de la fréquence du photon incident.

Applications de l’interaction photon-matière

  • La capacité qu’a la matière à absorber des photons est utilisée aujourd’hui dans divers domaines d’applications, tels que la recherche, la médecine, ou encore dans l’électronique.
  • Mais l’une des applications importantes de l’interaction photon-matière est les cellules photovoltaïques. Elles forment l’une des sources d’énergie renouvelable.
  • Les panneaux photovoltaïques sont constitués de cellules photovoltaïques, permettant de transformer les rayons lumineux émis par le Soleil en électricité, par effet photoélectrique.
  • Les matériaux constituant ces cellules sont capables d’absorber des photons d’une certaine énergie et d’émettre des électrons dans un circuit électrique, créant ainsi un courant.
  • Les rayons UV émis par le Soleil sont capables d’arracher des électrons aux cellules photovoltaïques.
  • Les cellules photovoltaïques absorbent donc des rayonnements lumineux avec une puissance lumineuse PlPl, et la transforment en puissance électrique PeˊPé.
  • Le rendement η\eta d’une cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance électrique maximale PeˊPé produite par la cellule par la puissance lumineuse PlPl reçue.

Alt texte