Cette fiche résume sur une page la description de la lumière par une onde et par un flux de photons : énergie d'un photon, effet photoélectrique, absorption et émission, cellule photovoltaïque. Elle s'adresse aux élèves de Terminale spécialité physique-chimie qui préparent le bac.

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  • Bac 2027
Fiche Lumière : dualité onde-particule : échelle des longueurs d'onde des rayons γ à la radio, photon qui arrache un électron à un métal, droite Ec en fonction de ν, niveaux d'énergie.Fiche Lumière : dualité onde-particule, seconde page de la version téléphone
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Ce que contient la fiche Lumière : dualité onde-particule

Deux modèles pour la lumière

Dans le modèle ondulatoire, la lumière est caractérisée par sa longueur d'onde λ, sa fréquence ν et sa célérité c = λ × ν ; ce modèle explique la diffraction et les interférences. Dans le modèle particulaire, la lumière est un flux de photons de masse nulle, de vitesse c dans le vide et d'énergie E ; ce modèle explique l'effet photoélectrique. C'est la dualité onde-particule : selon l'expérience, la lumière se comporte comme une onde ou comme un flux de particules.

Énergie d'un photon

L'énergie d'un photon est E = h × ν = h × c / λ, avec E en J, ν en Hz, λ en m, h la constante de Planck (J·s) et c la célérité de la lumière (m·s−1). Pour convertir en électronvolts : E (eV) = E (J) / e, avec e la charge élémentaire, donnée par l'énoncé. L'échelle de la fiche place les domaines γ, X, UV, visible (400 nm à 800 nm), IR et radio : l'énergie du photon et la fréquence augmentent quand λ diminue.

Effet photoélectrique

Un métal éclairé par un rayonnement de fréquence suffisante émet des électrons : un photon cède toute son énergie à un électron. Il existe un seuil : aucun électron n'est émis si ν < νS, même avec une lumière très intense. Augmenter l'intensité, c'est envoyer plus de photons, donc faire émettre plus d'électrons, de même énergie cinétique. Historiquement, ce phénomène était inexplicable par le modèle ondulatoire : Einstein introduit le photon en 1905.

Travail d'extraction Wext et seuil

Le travail d'extraction Wext est l'énergie minimale à fournir pour arracher un électron au métal. Il est lié à la fréquence seuil νS et à la longueur d'onde seuil λS par Wext = h × νS = h × c / λS. L'effet photoélectrique a lieu si h × ν ≥ Wext, ce qui équivaut à ν ≥ νS, ou encore à λ ≤ λS.

Bilan d'énergie : énergie cinétique de l'électron

L'énergie du photon sert à extraire l'électron, le reste devient énergie cinétique : h × ν = Wext + Ec. On en déduit Ec = ½ me v2 = h × (ν − νS), puis la vitesse de l'électron v = √(2h × (ν − νS) / me). Le graphique de la fiche montre Ec en fonction de ν : aucun électron sous νS, puis une droite de pente h.

Absorption et émission de photons

Un atome passe d'un niveau d'énergie Einf à un niveau Esup en absorbant un photon, et redescend en émettant un photon. L'énergie du photon correspond à l'écart entre les niveaux : Esup − Einf = h × ν = h × c / λ. Une raie du spectre correspond à une transition. Applications de l'interaction photon-matière : capteurs, cellules photovoltaïques, DEL, spectroscopies.

Cellule photovoltaïque et rendement

Dans le semi-conducteur d'une cellule photovoltaïque, un photon d'énergie suffisante libère un électron : l'énergie lumineuse est convertie en énergie électrique. Le rendement vaut η = Pélec / Plum = (U × I) / (E × S), où E est l'éclairement (W·m−2) et S la surface de la cellule (m2). Le rendement est sans unité et toujours inférieur à 1.

Ce qui tombe au bac

Sur les 6 exercices de bac de 2021 à 2026 classés dans ce thème, l'énergie d'un photon est la notion la plus fréquente, suivie de l'effet photoélectrique et du rendement photovoltaïque. Ces exercices sont souvent associés à la radioactivité, avec l'activité d'un échantillon (33 %) et la loi de décroissance radioactive (33 %).

  • 50 % : énergie d'un photon
  • 33 % : effet photoélectrique
  • 33 % : rendement d'un panneau photovoltaïque
  • 17 % : relation de Planck-Einstein
  • 17 % : travail d'extraction et fréquence seuil
  • 17 % : bilan d'énergie et énergie cinétique
  • 17 % : spectre d'émission

S'entraîner : exercices corrigés du bac

Tous les exercices corrigés du bac sur ce thème :

Lumière et dualité onde-particule (150 sujets)

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