Activité
documentaire
1 Une histoire de photon
Pendant la quasi-totalité du xixe siècle, la lumière est assimilée à une onde.
Au début du xxe siècle, de nombreux faits expérimentaux inexpliqués par
le modèle ondulatoire conduisent à l'émergence d'un nouveau modèle
de la lumière, le modèle particulaire.
OBJECTIF Comprendre la notion de photon.
Doc. 1 Rayonnement du « corps noir »>
Un corps noir* ne réfléchit aucune radiation, il les
absorbe toutes. Mais il peut émettre un rayonnement
thermique, appelé rayonnement du corps noir. C'est le
cas du Soleil, dont l'intensité spectrale* est tracée
en gris sur la figure. Le modèle ondulatoire de la
lumière donne une intensité spectrale théorique
tracé en bleu: alors que ce modèle convient bien pour
les grandes longueurs d'ondes, il s'écarte fortement
de la courbe expérimentale pour les longueurs
d'ondes plus courtes. En 1901, le physicien allemand
Max Planck postule que l'énergie est quantifiée,
c'est-à-dire que les échanges entre la lumière et la
matière ne peuvent se faire que par « paquets », qu'il
nomme quanta d'énergie. Il obtient alors un spectre
0
Cathode
Histoire
des sciences
382 Thème 4-Ondes et signaux
Questions
a. Quel fait précis a prouvé l'insuffisance du modèle ondulatoire
de la lumière ?
Intensité
lumineuse
Doc.2 Effet photoélectrique
-O+
En 1905, le physicien allemand Albert
Einstein propose un nouveau modèle
de la lumière, un modèle particulaire,
afin d'expliquer l'effet photoélectrique.
Lorsqu'un matériau (la cathode, sur
le schéma ci-contre) est soumis à un
rayonnement lumineux d'énergie
suffisante, il peut émettre des électrons, qui se déplacent de la cathode à
l'anode, et sont détectés par l'apparition d'un courant électrique mesuré par
l'ampèremètre. Cette énergie est apportée par la lumière qui peut alors être
décrite comme un ensemble de grains, des quanta appelés photons, qui viennent
arracher les électrons de la cathode. Chaque photon transporte une énergie hv,
où h est la constante de Planck et v la fréquence du rayonnement lumineux.
Lumière
Anode
b. Quelle est l'expression de l'énergie E d'un photon (doc. 2) ?
c. La fréquence v et la longueur d'onde λ sont liées par la relation λ = ₁
où c est la célérité de la lumière dans le vide.
V
En déduire l'unité de la constante de Planck h.
200 400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800
Longueur d'onde (en nm)
théorique tracé en rouge remarquablement en accord
avec le spectre expérimental. Dans sa démonstration,
il fait intervenir une constante h qu'on appelle la
constante de Planck: h = 6,63 x 10-34 unité SI.
d. Calculer l'énergie d'un photon associé à une radiation de longueur d'onde
λ = 550 nm. Donner le résultat en joules (J), puis en électron-volts (eV).
DÉCOUVERTE
COM
A
Max Planck (1858-1947).
Nivea
Les lamp
l'éclairag
d'étudier
OBJECTI
els
ergie d'un
en détermi
l'atome. C
émetta
supérieur
absc
Unités
L'énergie peut être exprimée
en électron-volts (eV):
1 eV = 1,60 x 10-19 J
oc. 1 M
Bohr, F
ou en
inférieur
stulat de
ome pas
Vocabulaire
Un corps noir est un objet physique
idéal qui absorbe toute l'énergie
électromagnétique qu'il reçoit.
• Intensité spectrale: intensité
lumineuse de chaque radiation
du spectre.
en
as E" est
hoton vé
Bilan
• Dans quelle explence
le photon peut-il re
assimilé à une que
indivisible d'énerg
Un diagr
orienté
energ
foc. 3).
niveau
niveau
• Quelle grandeur
commune au modèl
ondulatoire et au modèle
particulaire ?