PHOTOÉLECTRIQUE EFFET

On désigne sous le nom d'effet photoélectrique tous les phénomènes électriques qui sont provoqués par l'action de la lumière sur la matière. L'absorption de lumière par un solide peut entraîner l'éjection d'électrons dans le vide ou dans le milieu qui est en contact avec lui : on parle alors d'émission photoélectrique. L'absorption de lumière peut également augmenter la conductibilité d'un corps : on parle alors de photoconductivité. Certaines chaînes de conducteurs éclairées de façon appropriée font apparaître des forces électromotrices d'où il résulte une transformation directe d'énergie lumineuse en énergie électrique : on parle alors d'effets photovoltaïques. Les effets photoélectriques sont le plus souvent observés dans les solides ; ils peuvent cependant aussi concerner les liquides et les gaz.

Les trois effets que l'on traitera ici, émission photoélectrique, photoconductivité et effet photovoltaïque, ont en commun le processus primaire d'absorption de la lumière. Dans tous les cas, les photons qui transportent l'énergie lumineuse transmettent toute leur énergie à la matière et disparaissent. Ce sont les effets secondaires qui différencient les phénomènes observés. D'autres phénomènes sont parfois considérés comme des effets photoélectriques, par exemple l'effet Compton, les photodésintégrations nucléaires, la photo-ionisation des gaz, ou les événements primaires du processus photographique.

Les effets photoélectriques et, spécialement, l'émission photoélectrique ont présenté une grande importance historique dans la découverte du caractère particulaire de la lumière. Ils sont à la base d'applications techniques nombreuses qui vont de la simple mesure d'un flux lumineux à l'enregistrement d'une image en vue de sa transmission par les canaux de la télévision.

Émission photoélectrique

En 1887, la théorie électromagnétique semblait devoir rendre compte de toutes les propriétés de la lumière. Cependant, dans une expérience sur la production d'oscillations électriques, Heinrich Hertz s'aperçut qu'une étincelle jaillit plus facilement entre deux électrodes lorsque celle qui est polarisée négativement est éclairée par une lumière ultraviolette. Ce phénomène put être attribué, dès 1888, par Wilhelm Hallwachs, à l'émission de charges négatives que Philipp Lenard identifia en 1900 avec les électrons que l'on venait de mettre en évidence. Cette découverte de l'émission photoélectrique, et plus tard de ses lois, devait être l'un des arguments les plus forts qui conduisirent divers savants de cette époque, notamment Einstein, à reprendre le schéma corpusculaire utilisé par Newton pour décrire la lumière, mais délaissé à la suite notamment des travaux de Hertz.

Dans le cadre d'une conception purement ondulatoire de la lumière, l'émission photoélectrique ne pourrait commencer que lorsque des électrons ont accumulé suffisamment d'énergie pour vaincre les forces électriques de liaison qui les empêchent de traverser la surface du solide. En fait, l'expérience ne permit jamais de détecter aucun délai entre le début de l'éclairement et le début de l'émission d'électrons. Einstein fit disparaître cette difficulté en utilisant les quanta de Planck pour décrire l'interaction entre la lumière et les électrons. Une lumière de fréquence ν est transportée par des photons d'énergie hν qui sont répartis au hasard dans le faisceau. Dès qu'un électron a absorbé un photon, son énergie passe de sa valeur initiale E₀ à E₀ + hν et il peut vaincre la barrière de potentiel qui le maintient dans le solide si E₀ + hν a une valeur suffisante et si la vitesse de l'électron est convenablement orientée. Dans la théorie initiale[...]