Eln6 - Cellule photoélectrique
Fonction
Mise en évidence de la production d'électrons par une électrode métallique soumise à un éclairement convenable, étude du phénomène et, éventuellement, applications photométriques.
Description
Par son aspect cette cellule, contenue dans une boîte de bois munie d'un volet, paraît être de fabrication artisanale, soit en petite série on peut-être même fabriquée à la demande du responsable de laboratoire du lycée Louis le Grand par la « Verrerie Scientifique » (voir la marque apposée sur la boîte).
La cellule est constituée d'une ampoule de verre scellée, cylindrique très allongée. La moitié de l'ampoule est recouverte intérieurement d'un métal alcalin (probablement du potassium) mis en connexion extérieure pour être porté à un potentiel réglable, normalement négatif (cathode). Un fil tendu dans l'axe et pouvant être mis en connexion extérieure pour être porté à un potentiel réglable, normalement positif (anode), sert à collecter les électrons arrachés à la cathode par la lumière qu'elle reçoit. L'ampoule peut être introduite dans un circuit comprenant un générateur de tension réglable et un galvanomètre. On constate un courant lorsque la cellule est éclairée.
Histoire
La première cellule photoélectrique fut créée en 1889 par les chercheurs allemands Julius Elster (1854-1920) et Hans Geitel (1855-1923).
L'effet photoélectrique a été fortuitement découvert par Heinrich Hertz en 1887 : une étincelle éclate plus facilement entre deux conducteurs, auxquels on applique une différence de potentiel, lorsque le conducteur chargé négativement est éclairé. Lénard Philipp (1862-1947), physicien allemand, élève de Hertz, établit en 1902 que l'énergie cinétique des électrons ne dépend pas de la puissance lumineuse reçue par la cathode. Mais c'est surtout à Robert Millikan (1868-1953), physicien américain, que l'on doit les principales lois (1916) : instantanéité du phénomène, relation liant l'énergie cinétique maximale Ecm des photo-électrons à la fréquence f de la lumière monochromatique qui éclaire la cathode :
Ec = Ecm = h ( f - f0 )
f0 est une constante qui dépend de la nature du métal. On note l'existence d'un seuil pour le phénomène : pour f < f0, il n'y a pas d'effet photoélectrique quelle que soit l'intensité lumineuse.
h est une constante universelle qui se trouve être égale à la constante de Planck : pour interpréter les lois du corps noir, Planck dut admettre en 1900 que l'énergie du rayonnement ne s'échange avec les parois du corps noir que par multiples d'une quantité égale à h f (h = 6,626 x10-34 joule-seconde).
Ces lois paraissaient impossibles à expliquer dans le cadre d'une théorie ondulatoire de la lumière ; c'est Einstein (Albert 1879-1940) qui fit en 1905 une théorie satisfaisante de l'effet photoélectrique en admettant l'existence des photons d'énergie h f. La nature corpusculaire de la lumière intervient également dans l'effet Compton (1923), choc élastique d'un photon sur un électron. Aspects corpusculaire et ondulatoire se fondent dans une théorie : la mécanique quantique (thèse de Louis de Broglie en 1924) mais ceci est une autre histoire !