Programme en vigueur — arrêtés du 19 juillet 2019, applicable en Terminale depuis la rentrée 2020. Voir le texte
Effet photoélectrique. Photon : E = h×f. Dualité onde-corpuscule. Longueur de de Broglie. Niveaux d'énergie de l'hydrogène. Spectres d'émission/absorption.
La règle d'or
L'effet photoélectrique dépend de la fréquence et non de l'intensité : sous la fréquence seuil, aucun électron n'est arraché.
L'erreur que tout le monde fait
Penser qu'une lumière rouge suffisamment intense finira par extraire des électrons du métal.
L'énergie arrive par grains, et c'est un photon unique qui cède la sienne à un électron : augmenter l'intensité multiplie le nombre de photons, pas l'énergie de chacun. Une onde continue prédirait le contraire, et c'est précisément cet échec qui a imposé la description corpusculaire de la lumière.
Comparer l'énergie d'un photon au travail d'extraction avant de regarder la puissance de la source.
Une lampe rouge de mille watts n'arrache aucun électron à un métal qu'une faible lampe bleue suffit à ioniser. C'est cette expérience qui a obligé la physique à admettre que la lumière arrive par paquets.
1L'effet photoélectrique
Règle
L'effet photoélectrique est l'extraction d'électrons d'un métal éclairé. Il dépend de la fréquence de la lumière, non de son intensité : en dessous d'une fréquence seuil propre au métal, aucun électron n'est arraché, quelle que soit la puissance de la source. Au-dessus du seuil, l'extraction est immédiate, même à très faible intensité, et augmenter l'intensité augmente le nombre d'électrons extraits, jamais leur énergie.
f<f0:rien⋅f≥f0:extractionimmeˊdiate
Piège
Penser qu'une lumière rouge suffisamment intense finira par extraire des électrons du métal.
Pourquoi — Cela supposerait que l'énergie s'accumule sur l'électron, comme le ferait une onde continue. Or elle arrive par paquets indivisibles : chaque électron interagit avec un seulphoton, dont l'énergie dépend de la fréquence. Augmenter l'intensité multiplie le nombre de photons, sans changer l'énergie d'aucun d'eux. Mille photons trop pauvres restent mille photons trop pauvres.
Le réflexe — L'intensité donne le nombre de photons, la fréquence leur énergie.
Définition
Photon — Le photon est le grain élémentaire de lumière. Son énergie est proportionnelle à la fréquence du rayonnement, le coefficient de proportionnalité étant la constante de Planck. Un photon est indivisible : il est absorbé en entier ou pas du tout, ce qui explique l'existence d'un seuil net et l'absence de tout délai d'accumulation.
E=h×f
Propriété
Le bilan énergétique de l'extraction s'écrit simplement : l'énergie du photon sert d'abord à arracher l'électron — c'est le travail d'extraction, propre au métal —, et l'excédent devient l'énergie cinétique de l'électron émis. L'énergie cinétique maximale croît donc linéairement avec la fréquence, et ne dépend pas de l'intensité.
Ec=hf−Wextraction
2La dualité onde-corpuscule
Règle
La lumière présente selon les expériences un comportement ondulatoire — interférences, diffraction — ou corpusculaire — effet photoélectrique, effet Compton. C'est la dualité onde-corpuscule. Elle ne signifie pas que la lumière serait « les deux à la fois » ou « tantôt l'un tantôt l'autre » selon son humeur : elle signifie que nos deux modèles classiques sont chacun incomplets, et que le dispositif expérimental détermine lequel rend compte du résultat.
Propriété
Cette dualité ne concerne pas que la lumière. De Broglie a associé à toute particule de quantité de mouvement p une longueur d'onde, ce qui a été confirmé par la diffraction d'électrons. La longueur d'onde associée est d'autant plus petite que la particule est massive et rapide : elle est mesurable pour un électron, et totalement négligeable pour un objet macroscopique — d'où l'absence d'effets quantiques visibles à notre échelle.
λ=ph
3Les niveaux d'énergie
Règle
L'énergie d'un atome ne prend que certaines valeurs : ses niveaux d'énergie sont quantifiés. Un atome passe d'un niveau à un autre en absorbant ou en émettant un photon dont l'énergie vaut exactement la différence entre les deux niveaux. C'est pourquoi les spectres atomiques sont des spectres de raies et non des spectres continus : seules certaines transitions existent, donc seules certaines fréquences apparaissent.
ΔE=Ehaut−Ebas=hf
Un spectre d'émission montre des raies brillantes sur fond noir — l'atome excité restitue des photons d'énergies déterminées. Un spectre d'absorption montre des raies sombres sur fond continu — l'atome prélève exactement les mêmes énergies dans une lumière blanche qui le traverse. Les raies sont aux mêmes positions dans les deux cas : c'est ce qui permet d'identifier un élément dans l'atmosphère d'une étoile qu'on n'atteindra jamais.
Exploiter un spectre de raies ou un seuil photoélectrique
Identifier la grandeur donnée : une fréquence, une longueur d'onde, ou une énergie ?
Convertir si nécessaire, en gardant les unités du système et en repérant les électronvolts.
Pour un seuil, comparer l'énergie du photon au travail d'extraction du métal.3,1−2,3=0,8Un photon de 3,1 eV sur un métal de travail d'extraction 2,3 eV libère un électron de 0,8 eV.
Pour une raie, rapporter l'énergie du photon à une différence entre deux niveaux, jamais à un niveau seul.
Vérifier la cohérence : au-dessous du seuil, rien ; au-dessus, une énergie cinétique croissante avec la fréquence.
▢Ai-je attribué à la fréquence l'énergie, et à l'intensité le nombre de photons ?
▢Ai-je écrit qu'un photon est absorbé en entier ou pas du tout ?
▢Mon énergie cinétique est-elle bien la différence entre hf et le travail d'extraction ?
▢Ai-je rapporté une raie à une différence de niveaux d'énergie ?
▢Ai-je présenté la dualité comme une limite de nos modèles, non du réel ?
▢Ai-je vérifié les unités — joules ou électronvolts ?
L'essentiel en 11 points
·Effet photoélectrique : dépend de la fréquence, pas de l'intensité.
·Sous la fréquence seuil, aucun électron, quelle que soit la puissance.
·L'intensité donne le nombre de photons ; la fréquence leur énergie.
·E = h × f, avec h la constante de Planck.
·Un photon est absorbé en entier ou pas du tout : d'où un seuil net.
·Ec = hf − W : l'énergie cinétique croît linéairement avec la fréquence.
·Dualité : nos deux modèles sont incomplets ; le dispositif décide lequel s'applique.
·De Broglie : λ = h/p, négligeable pour un objet macroscopique.
·Les niveaux d'énergie sont quantifiés : d'où les spectres de raies.
·Une raie correspond à une différence de niveaux, jamais à un niveau seul.
·Émission et absorption d'un même élément donnent les mêmes positions de raies.
2
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Fiche PDF — Physique quantique — Dualité onde-corpuscule
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Trois documents à imprimer, 6 pages en tout : le cours, les exercices avec la place pour écrire, et le corrigé détaillé avec son barème.
a.Qu'est-ce que l'effet photoélectrique ? De quelle grandeur dépend-il ?
b.Écrire l'énergie d'un photon et nommer la constante employée.
c.Qu'apporte l'intensité lumineuse dans l'effet photoélectrique ?
d.Pourquoi les spectres atomiques sont-ils des spectres de raies ?
e.Qu'exprime la relation de de Broglie ?
›Voir le corrigéMasquer le corrigé
a. L'extraction d'électrons d'un métal éclairé. Il dépend de la fréquence, non de l'intensité.
b. E = h × f, où h est la constante de Planck.
c. Elle donne le nombre de photons, donc le nombre d'électrons extraits — jamais leur énergie.
d. Parce que les niveaux d'énergie de l'atome sont quantifiés : seules certaines transitions existent, donc seules certaines fréquences.
e. Qu'à toute particule est associée une longueur d'onde, inversement proportionnelle à sa quantité de mouvement.
2
Un métal a un travail d'extraction de 2,3 eV. On l'éclaire successivement par trois lumières dont les photons valent 1,8 eV, 2,3 eV et 3,1 eV.
Calculer
a.Pour chaque lumière, y a-t-il extraction ?
b.Calculer l'énergie cinétique maximale de l'électron extrait dans le troisième cas.
c.On multiplie par mille l'intensité de la première lumière. Que se passe-t-il ?
d.On multiplie par mille l'intensité de la troisième. Qu'est-ce qui change ?
›Voir le corrigéMasquer le corrigé
a. À 1,8 eV, non : le photon est en dessous du seuil. À 2,3 eV, extraction juste possible, avec une énergie cinétique nulle. À 3,1 eV, oui.
b. Énergie cinétique maximale :3,1−2,3=0,8
Soit 0,8 eV.
c. Rien. Mille fois plus de photons trop pauvres restent mille photons trop pauvres : chaque électron n'interagit qu'avec un seul photon, et l'énergie ne s'accumule pas.
d. Le nombre d'électrons extraits est multiplié par mille ; leur énergie cinétique maximale reste 0,8 eV. L'intensité agit sur la quantité, la fréquence sur l'énergie.
3
Un atome possède trois niveaux d'énergie : E₁ = −13,6 eV, E₂ = −3,4 eV, E₃ = −1,5 eV.
Appliquer
a.Calculer l'énergie du photon émis lors de la transition de E₂ vers E₁.
b.Faire de même pour E₃ vers E₂.
c.Laquelle de ces deux transitions produit la raie de plus haute fréquence ?
d.Quelle énergie faut-il pour arracher l'électron depuis E₁ ? Comment appelle-t-on cette valeur ?
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a. Différence entre les deux niveaux :13,6−3,4=10,2
Soit un photon de 10,2 eV.
b. Pour E₃ vers E₂ :3,4−1,5=1,9
Soit un photon de 1,9 eV.
c. La transition E₂ → E₁, puisque l'énergie du photon est plus grande et que E = h × f : plus d'énergie, plus de fréquence.
d. Il faut porter l'électron de −13,6 eV à zéro, soit 13,6 eV. C'est l'énergie d'ionisation de l'atome depuis son état fondamental.
4
Dualité et portée du modèle. Analyser.
Analyser
a.Quelle expérience révèle le caractère ondulatoire de la lumière ? Laquelle son caractère corpusculaire ?
b.La dualité signifie-t-elle que la lumière change de nature selon l'observateur ? Reformuler.
c.Pourquoi n'observe-t-on pas d'effets quantiques sur un ballon de football ?
d.Comment identifie-t-on un élément dans l'atmosphère d'une étoile lointaine ?
e.Pourquoi les raies d'émission et d'absorption d'un même élément coïncident-elles ?
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a. Les interférences et la diffraction révèlent le caractère ondulatoire ; l'effet photoélectrique révèle le caractère corpusculaire.
b. Non. Elle signifie que nos deux modèles classiques — l'onde et le corpuscule — sont chacun incomplets, et que le dispositif expérimental détermine lequel rend compte du résultat. La limite est dans nos modèles, non dans le comportement de la lumière.
c. Parce que sa longueur d'onde de de Broglie, inversement proportionnelle à sa quantité de mouvement, est totalement négligeable devant toute dimension observable. L'effet existe formellement et reste hors de portée de toute mesure.
d. Par son spectre d'absorption : les raies sombres dans la lumière reçue correspondent aux énergies prélevées par les atomes de son atmosphère, et chaque élément a un jeu de raies qui lui est propre.
e. Parce que les deux correspondent aux mêmes transitions entre les mêmes niveaux d'énergie, parcourues dans un sens ou dans l'autre. L'atome émet exactement ce qu'il peut absorber : c'est la quantification des niveaux qui impose cette coïncidence.
Ce qui rapporte des points, ce qui en coûte
Attribuer l'énergie à la fréquence5 ptsPerdu si : Faire extraire des électrons par une lumière intense sous le seuil
Écrire et appliquer E = h f3 ptsPerdu si : Confondre fréquence et longueur d'onde sans conversion
Calculer une énergie cinétique par différence4 ptsPerdu si : Additionner au lieu de retrancher le travail d'extraction
Rapporter une raie à une différence de niveaux4 ptsPerdu si : L'associer à un niveau unique
Formuler correctement la dualité2 ptsPerdu si : Écrire que la lumière change de nature
Expliquer l'absence d'effets quantiques macroscopiques2 ptsPerdu si : Affirmer que la relation de de Broglie ne s'y applique pas
4
La méthode
Exploiter un spectre de raies ou un seuil photoélectrique
1
Convertir la longueur d'onde de chaque raie en énergie de photon, en surveillant les unités.
Passer des électronvolts aux joules avant tout calcul mêlant plusieurs grandeurs.
2
Situer cette énergie sur le diagramme des niveaux de l'atome étudié.
3
Associer la raie à une transition en repérant l'écart entre deux niveaux qui lui correspond.
4
Distinguer émission et absorption selon le sens de la transition, du niveau haut vers le bas ou l'inverse.
5
Conclure sur l'espèce présente, en rappelant que le jeu des écarts est propre à chaque atome.
5
Se tester
Touches 1 à 4
Physique-ChimieTerminale
Question 1
Un atome d'hydrogène est excité au niveau n=4. Il émet ensuite un photon en passant au niveau n=2. Parmi les affirmations suivantes, laquelle est FAUSSE concernant ce photon ?
Aucun compte requis — réponds, la correction s'affiche aussitôt.
Physique quantique — Dualité onde-corpuscule : c'est en quelle classe ?+
Ce chapitre est au programme de Physique-Chimie au lycée, en classe de Terminale, année du Baccalauréat. Il est défini par le Bulletin Officiel de l'Éducation nationale, le texte de référence qui fixe ce qui doit être enseigné dans chaque matière.
Que faut-il savoir sur Physique quantique — Dualité onde-corpuscule ?+
Effet photoélectrique. Photon : E = h×f. Dualité onde-corpuscule. Longueur de de Broglie. Niveaux d'énergie de l'hydrogène. Spectres d'émission/absorption. Les notions à maîtriser sont : photon, Planck, photoélectrique, dualité, spectre, niveaux d'énergie.
Où télécharger la fiche PDF de Physique quantique — Dualité onde-corpuscule ?+
Sur cette page, dans le bloc « Imprimer » : 3 documents à télécharger — le cours, les exercices et le corrigé — soit 6 pages au format A4, prêtes à imprimer. Le téléchargement est gratuit, immédiat, et ne demande ni compte ni adresse e-mail.
Le corrigé de Physique quantique — Dualité onde-corpuscule est-il fourni ?+
Oui, et c'est un document à part : chaque exercice y est repris étape par étape, avec le barème détaillé en fin de fiche — ce qui est attendu, combien de points, et ce qui fait perdre le point. Un parent qui ne se souvient plus du programme peut corriger une copie avec.
Physique quantique — Dualité onde-corpuscule peut-il tomber au Baccalauréat ?+
Ce chapitre fait partie du programme officiel de Terminale, il entre donc dans le périmètre du Baccalauréat. Le sujet exact varie chaque année et aucun chapitre n'est garanti, mais l'ensemble du programme de l'année est susceptible d'être évalué : mieux vaut ne pas parier sur des impasses.
Commence par lire la fiche de révision pour remettre la règle en place, puis enchaîne immédiatement sur le quiz de cette page. Répondre juste après avoir lu ne suffit pas : reviens sur le chapitre deux ou trois jours plus tard. C'est l'espacement des révisions, plus que leur durée, qui fait tenir une notion en mémoire. Une session de quinze minutes répétée vaut mieux qu'une heure unique.
Faut-il un compte pour s'entraîner sur Physique quantique — Dualité onde-corpuscule ?+
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