QCM N° 20 La lumière, un flux de photons

QCM. N° 20

La lumière, un flux de photons

QCM N° 20 La lumière : un flux de photons Effet photoélectrique L’absorption ou l’émission de photons. AIDE Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
	Énoncé	A	B	C	R
1	La lumière rouge d’un laser hélium-néon a pour longueur d’onde 622.3 nm. Sa fréquence est :	4,74 × 10^–14 Hz	190 Hz	4,74 × 10¹⁴ Hz	C
2	Un photon associé à une radiation rouge est :	Aussi énergétique qu’un photon associé à une radiation bleue	Plus énergétique qu’un photon associé à une radiation bleue	Moins énergétique qu’un photon associé à une radiation bleue	C
3	La radiation d’un laser utilisé en dermatologie a une longueur d’onde λ = 1064 nm. L’énergie d’un photon associé à cette radiation est :	1,87 × 10^–19 J	1,87 × 10^–37 J	2,12 × 10^–31 J	A
4	L’effet photoélectrique est le phénomène :	D’absorption d’électrons d’un métal sous l’effet de la lumière	D’éjection d’électrons d’un métal sous l’effet de la lumière	D’émission de photons d’un métal sous l’effet de la température	B
5	Dans l’effet photoélectrique, l’émission d’un électron nécessite :	Que la longueur d’onde de la lumière incidente dépasse une valeur seuil	Que la fréquence de la lumière incidente dépasse une valeur seuil	N’importe quelle radiation lumineuse incidente pourvu qu’elle soit suffisamment intense	B
6	En éclairant du cuivre avec des photons d’énergie ℰ_photon = 1,00 × 10^–18 J, on observe l’éjection d’électrons d’énergie cinétique maximale ℰ_Cmax = 2,48 × 10^–19 J. Le travail d’extraction du cuivre W_extraction est :	7,52 × 10^–19 J	1,00 × 10^–18 J	1,25 × 10^–18 J	A
7	Une cellule photoélectrique est un dispositif dont les propriétés électriques varient en fonction :	De la température.	De la lumière qui l’éclaire.	De la lumière qu’elle émet	B
8	Une cellule photoélectrique reçoit une puissance lumineuse P_lum et fournit une puissance électrique P_elec. Son rendement η est :				C
9	Les échanges d’énergie entre lumière et matière se font de manière :	Continue, par quantités infiniment petites	Discrète, par paquets d’énergie minimale correspondant à l’énergie d’un photon	Discrète, par paquets d’énergie minimale correspondant à l’énergie d’un électron.	B
10	Le rendement de c onversion d’une cellule photovoltaïque est égal à 10 %, donc :	10 % de l’énergie électrique reçue est convertie en énergie lumineuse utile	90 % de l’énergie lumineuse reçue est convertie en énergie électrique utile	10 % de l’énergie lumineuse reçue est convertie en énergie électrique utile	C

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s’auto-évaluer

L’onde électromagnétique :

► Relation fondamentale :

	λ_0 : longueur d’onde dans le vide (m)
	c : vitesse de la lumière dans le vide (m . s^–1)
	T : période (s)
	ν : fréquence (Hertz)

- La vitesse de la lumière dans l’air est peu différente de celle dans le vide.

- Comme valeur approchée dans l’air et le vide, on choisit la valeur suivante :

c_air ≈ c ≈ 3,00 × 10⁸ m . s^–1

- Le domaine de radiations lumineuses visibles s’étend de 400 nm (violet) à 780 nm (rouge).

- Domaine de longueurs d’onde correspondant :

400 nm ≤ λ ≤ 780 nm

L’effet photoélectrique :

- C’est le phénomène d’éjection d’électrons d’un métal sous l’effet de radiations lumineuses.

- Pour un métal donné, cet effet se manifeste que pour des photons d’énergie suffisamment grande.

- L’effet est quasiment instantané.

- Il se manifeste si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction d’un électron du métal W_extraction.

- L’énergie excédentaire est emportée par l’électron sous forme d’énergie cinétique.

► Le photon :

- La lumière peut être décrite comme un flux de photons.

- Un photon possède une masse nulle et se propage à la célérité c de la lumière dans le vide.

c = 299 792 458 m . s^–1

Énergie d’un photon.

- L’énergie de la lumière est transportée par des photons qui présentent un aspect particulaire et un aspect ondulatoire.

- L’énergie d’un photon est donnée par la relation :

- E = h . υ

- L’énergie E représente l’aspect particulaire du photon.

- La fréquence υ représente son aspect ondulatoire.

- Pour une onde électromagnétique de fréquence υ et de longueur d’onde λ dans le vide,

- On peut écrire :

Relation de PLANCK-EINSTEIN :
h	La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,626 × 10^–34 J . s
n	La fréquence n en hertz (Hz)
λ	La longueur d’onde dans le vide λ en mètre (m)
c	La célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 × 10⁸ m . s^{– 1}
E	Énergie E en joule (J) ou électronvolt (eV) 1 eV = 1,6 × 10^–19 J

- Cette relation met en évidence le caractère à la fois :

- Particulaire : photon, particule de masse nulle et d’énergie E_photon.

- Ondulatoire : fréquence ν, longueur d’onde λ.

- On parle de dualité onde-corpuscule.

- Plus la longueur d’onde associée au photon est grande est plus l’énergie qu’il transporte est petite.

- Plus la longueur d’onde est grande et plus la fréquence du photon est petite.

- Plus la fréquence du photon est grande et plus l’énergie associée au photon est grande.

Bilan énergétique et interprétation à l’aide du modèle particulaire

- Effet photoélectrique :

- Pour un métal donné, l’effet photoélectrique se produit lorsque la longueur d’onde de la radiation mise en jeu est inférieure à une longueur d’onde de seuil λ_S.

- La fréquence ν de cette radiation est supérieure à la fréquence de seuil ν_S.

- L’énergie de chaque photon associé à cette radiation lumineuse est alors suffisante pour arracher un électron du métal : on observe alors l’effet photoélectrique.

► Travail d’extraction : W_extraction.

- L’énergie minimale qui permet d’arracher un électron d’un métal est égale au travail à fournir pour extraire un électron libre proche de la surface du métal.

- Cette énergie est appelée travail d’extraction, notée W_extraction.

- Elle diffère d’un métal à un autre. C’est une grandeur caractéristique d’un métal.

- Si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction W_extraction, l’excédent d’énergie est emporté par cet électron sous forme d’énergie cinétique.

- L’énergie cinétique d’un électron arraché est maximale pour un électron libre proche de la surface du métal.

- Schéma :

Travail d’extraction : Wextraction

Équation de conservation de l’énergie : Équation d’EINSTEIN de l’effet photoélectrique.

ℰ_photon = W_extraction + ℰ_Cmax
υ_photon	La fréquence du photon en hertz (Hz)
W_extraction	Travail d’extraction en joule (J) ou électron-volt (eV) 1 eV = 1,6 × 10^–19 J
m_e	Masse de l’électron m_e = 9,109 × 10^–31 kg
v_max	Vitesse maximale de l’électron en mètre par seconde (m . s^–1)
h	Constante de Planck : h = 6,626 × 10^–34 J . s

- Énergie cinétique maximale des électrons en fonction de la fréquence υ_photon du photon incident :

Modèle particulaire de la lumière :

- La lumière est un flux de photons.

- Cette description permet d’expliquer l’effet photoélectrique que l’on ne peut pas expliquer par le phénomène ondulatoire.

- La lumière présente une dualité onde-corpuscule.

- La lumière peut être décrite de manière :

- Corpusculaire par la propagation de photons.

- Ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique.

Absorption de photons et cellule photoélectrique

► cellule photoélectrique :

- Une cellule photoélectrique est formée d’une ampoule où règne le vide, qui comprend :

- Une photocathode susceptible de subir l’effet photoélectrique,

- Une anode dont le rôle est d’accélérer et de collecter les électrons émis grâce à un rayonnement.

- Ses propriétés électrique varient en fonction de la lumière qui l’éclaire.

- Photo :

cellule photoélectrique

- Représentation symbolique :

cellule photoélectrique

- Schéma :

cellule photoélectrique

- La tension U appliquée entre la cathode et l’anode permet d’accélérer les électrons éjectés grâce au rayonnement qui possède la fréquence adaptée.

- Les électrons éjectés sont soumis à la force électrique :

-

- Plus généralement, une cellule photoélectrique est un dispositif dont une propriété électrique est modifiée lors de l’absorption de photons.

- On utilise des matériaux semi-conducteur pour réaliser des cellules photoélectriques.

► La cellule photovoltaïque :

- Les cellules photovoltaïques exploitent l’effet photoélectrique pour produire un courant continu par absorption d’un rayonnement solaire.

- Une telle cellule convertit directement l’énergie lumineuse des photons en énergie électrique.

- Pour fabriquer de telles cellules, on utilise des semi-conducteurs.

- Représentation symbolique d’une cellule photovoltaïque :

cellule photovoltaïque

- Panneau photovoltaïque :

cellule photovoltaïque

Rendement d’une cellule photovoltaïque :

- Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance exploitable sur la puissance en entrée.

Rendement d’une cellule photovoltaïque


η	Grandeur sans unité : 0 < η < 1
P_exploitable	Puissance exploitable en watt (W)
P_entrée	Puissance en entrée en watt (W)

ou

- Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de l’énergie exploitable sur l’énergie en entrée.

Rendement d’une cellule photovoltaïque

- Avec les notations précédentes :


η	Grandeur sans unité : 0 < η < 1
P_électrique	Puissance exploitable : Puissance électrique en watt (W)
P_lumineuse	Puissance en entrée : Puissance lumineuse en watt (W)

- On peut aussi utiliser les énergies :


η	Grandeur sans unité inférieure à 1
ℰ_électrique	Énergie exploitable : Énergie électrique en joule (J)
ℰ_lumineuse	Énergie en entrée : Énergie lumineuse en joule (J)

- Le rendement des cellules photovoltaïques est faible, de l’ordre de 10 %, mais l’énergie lumineuse est inépuisable à notre échelle.