Physique quantique — Dualité onde-corpuscule

Décrire l'effet photoélectrique

Réponds à chaque question.

1. 1.Qu’est-ce que l’effet photoélectrique ?

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   L’extraction d’électrons d’un métal éclairé.

   Elle ne se produit que sous certaines conditions de lumière.

2. 2.De quelle grandeur dépend-il, et de laquelle ne dépend-il pas ?

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   De la fréquence de la lumière, non de son intensité.

   C’est ce qui a obligé à admettre le caractère corpusculaire de la lumière.

3. 3.Que se passe-t-il en dessous de la fréquence seuil ?

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   Aucun électron n’est arraché, quelle que soit la puissance de la source.

   Le seuil est propre au métal, et il ne dépend en rien de la source employée.

4. 4.Qu’apporte l’augmentation de l’intensité au-dessus du seuil ?

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   Elle augmente le nombre d’électrons extraits, jamais leur énergie.

   L’extraction est par ailleurs immédiate, même à très faible intensité.

Définir le photon

Réponds à chaque question.

1. 1.Qu’est-ce qu’un photon ?

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   Le grain élémentaire de lumière.

   C’est le modèle corpusculaire de la lumière.

2. 2.De quoi son énergie dépend-elle, et par quelle relation ?

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   De la fréquence : $E=h\times f$.

   Le coefficient $h$ est la constante de Planck.

3. 3.Que signifie qu’un photon est indivisible ?

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   Il est absorbé en entier ou pas du tout.

   C’est ce qui explique l’existence d’un seuil net.

4. 4.Pourquoi une lumière rouge très intense n’extrait-elle rien ?

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   Parce que chaque électron interagit avec un seul photon, et qu’aucun n’a assez d’énergie.

   Mille photons trop pauvres restent mille photons trop pauvres.

Écrire le bilan énergétique de l'extraction

Réponds à chaque question.

1. 1.À quoi sert d’abord l’énergie du photon ?

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   À arracher l’électron : c’est le travail d’extraction.

   Ce travail est propre au métal.

2. 2.Que devient l’excédent ?

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   L’énergie cinétique de l’électron émis.

   Elle est nulle si l’énergie du photon vaut exactement le travail d’extraction.

3. 3.Écris la relation du bilan.

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   $E_c=hf-W_{\text{extraction}}$

   Les deux termes de droite ont la dimension d’une énergie.

4. 4.Comment l’énergie cinétique maximale varie-t-elle avec la fréquence ?

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   Linéairement.

   C’est la relation du bilan, lue comme une fonction affine de $f$.

5. 5.Dépend-elle de l’intensité ?

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   Non.

   L’intensité ne change que le nombre d’électrons extraits.

Comprendre la dualité onde-corpuscule

Réponds à chaque question.

1. 1.Cite une expérience à comportement ondulatoire et une à comportement corpusculaire.

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   Les interférences pour la première, l’effet photoélectrique pour la seconde.

   La diffraction et l’effet Compton complètent respectivement les deux listes.

2. 2.Que signifie exactement la dualité ?

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   Que nos deux modèles classiques sont chacun incomplets.

   Ce n’est pas que la lumière serait les deux à la fois.

3. 3.Qu’est-ce qui détermine lequel des deux modèles rend compte du résultat ?

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   Le dispositif expérimental.

   C’est l’expérience choisie qui fait apparaître l’un ou l’autre comportement.

4. 4.Qu’a associé de Broglie à toute particule, et par quelle relation ?

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   Une longueur d’onde : $\lambda =\frac{h}{p}$.

   Cela a été confirmé par la diffraction d’électrons.

Repérer une erreur et la corriger

Chaque affirmation est fausse. Écris ce qu’il fallait dire.

1. 1.« Avec une lampe rouge assez puissante, on finira par extraire des électrons. »

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   En dessous de la fréquence seuil, aucune intensité n’y suffit.

   L’énergie n’arrive pas de façon continue mais par paquets indivisibles.

2. 2.« En éclairant longtemps, l’électron accumulera assez d’énergie pour partir. »

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   Il n’y a pas d’accumulation : l’extraction est immédiate ou n’a pas lieu.

   Chaque électron interagit avec un seul photon.

3. 3.« La lumière est tantôt une onde, tantôt un grain, selon les moments. »

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   Ce sont nos deux modèles classiques qui sont incomplets.

   Le dispositif expérimental détermine lequel rend compte du résultat.