QCM N° 20 La lumière : un flux de photons

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QCM. N° 20

Pour s'auto-évaluer

La lumière : un flux de photons

QCM N° 20 La lumière : un flux de photons AIDE Pour chaque question, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s).
	Énoncé	A	B	C	R
1	L'expression de l'énergie d'un photon associé à une onde électromagnétique monochromatique de fréquence υ et de longueur d'onde λ dans le vide est:				A
2	Dans le cas du diagramme ci-dessous, le photon intervenant a une énergie de:	1,02 eV	2,38 eV	3,40 eV	B
3	Classer par ordre d'énergie croissante les trois photons suivants : un photon bleu (λ_B = 460 nm), un photon orange (λ_O = 600 nm) et un photon rouge (λ_R = 650 nm) :	E_B < E_O < E_R	E_R < E_B < E_O	E_R < E_O < E_B	C
4	L'énergie transportée par un photon de longueur d'onde λ = 715 nm vaut :	E = 1,7 eV	E = 2,5 eV	E = 3,4 eV	A
5	L'effet photoélectrique est une manifestation :	Du caractère ondulatoire de la lumière	Du caractère corpusculaire de la lumière	De ces deux caractères	B
6	L'effet photoélectrique est l'émission :	de photons et d'électrons par un matériau	de photons par un matériau sous l'action d'un flux d'électrons	d'électrons par un matériau sous l'action d'un flux de photons	C
7	Pour observer l'effet photoélectrique, la fréquence de la lumière incidente doit :	Dépasser une fréquence minimale	Être inférieure à une fréquence maximale	Être inférieure à une longueur d’onde maximale	A
8	Le travail d'extraction d'un métal correspond à :	l'énergie cinétique que possède un électron quittant la surface du métal par effet photoélectrique	l'énergie minimale à fournir pour qu'un électron quitte la surface du métal	la force à appliquer sur un électron pour qu'il quitte la surface du métal	B
9	Les cellules photovoltaïques sont généralement fabriquées :	Avec un semi-conducteur	Avec un conducteur et un isolant	Avec du silicium	AC
10	Un panneau solaire fournit une puissance électrique de 75 W lorsqu'il est éclairé avec un faisceau lumineux de puissance 375 W. Quel est le rendement de ce panneau solaire ?	20 %	5,0 %	0,20 %	A

QCM réalisé avec le logiciel Questy

Pour s’auto-évaluer

Chap N° 18 Lumière, ondes et particules (cours de première)

Expression de l’énergie d’un photon :

- L’énergie de la lumière est transportée par des photons qui présentent un aspect particulaire et un aspect ondulatoire.

- L’énergie d’un photon est donnée par la relation :

- E = h . n

- L’énergie E représente l’aspect particulaire du photon.

- La fréquence υ représente son aspect ondulatoire.

- Pour une onde électromagnétique de fréquence n et de longueur d’onde λ dans le vide,

- On peut écrire :

- Relation de PLANCK-EINSTEIN :

Relation de PLANCK-EINSTEIN :
h	La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,626 × 10^–34 J . s
υ	La fréquence υ en hertz (Hz)
λ	La longueur d’onde dans le vide λ en mètre (m)
c	La célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 × 10⁸ m . s^{– 1}
E	Énergie E en joule (J) ou électronvolt (eV) 1 eV = 1,60 × 10^–19 J

- Avec la notation de l’énoncé :

- avec :

- Relation fondamentale :

	λ_0 : longueur d’onde dans le vide (m)
	c : vitesse de la lumière dans le vide (m . s^–1)
	T : période (s)
	ν : fréquence (Hertz)

Absorption d’un photon :

- Au cours d’une transition entre deux états d’énergie E_initial et E_final le photon absorbé ou émis par un atome possède une énergie telle que :

énergie photon

La grandeur h est la constante de Planck : h = 6,626 × 10^{– 34}J . s

La fréquence ν en hertz (Hz)

La longueur d’onde dans le vide λ en mètre (m)

La célérité de la lumière dans le vide : c = 3,00 × 10⁸ m . s^{– 1}

Énergie E et ΔE en joule (J)

- Diagramme :

Diagramme

- ΔE = | E_final – E_initial |

- ΔE = | (- 1,02) – (- 3,40) |

- ΔE ≈ 2,38 eV

Classement des différentes radiations :

- Relation :

- énergie photon la longueur d'onde λ intervient au dénominateur

- Comme : λ_B < λ_O < λ_R

- Alors : E_R < E_O < E_B

L'énergie transportée :

-

- Énergie E en joule (J) ou électronvolt (eV)

- 1 eV = 1,6 × 10^–19 J

- E = 1,7 eV

Dualité onde -corpuscule :

- La lumière se comporte à la fois comme une onde et comme un flux de particules, les photons.

- On parle de dualité onde-corpuscule.

- Modèle ondulatoire :

- La lumière peut être décrite comme une onde électromagnétique, caractérisée par sa longueur d’onde λ, sa fréquence υ et sa propagation à la vitesse c dans le vide.

- Les preuves expérimentales : diffraction, interférences, réfraction et réflexion.

- Modèle corpusculaire :

- La lumière peut être décrite comme un flux de particules appelées photons, de masse nulle, chacun transportant une énergie E = h . υ, proportionnelle à sa fréquence υ.

- Preuve expérimentale : Effet photoélectrique

- L'effet photoélectrique se produit lorsqu'un matériau émet des électrons sous l'action d'un rayonnement lumineux d'une fréquence supérieure à une fréquence seuil υ_s spécifique au matériau.

L’effet photoélectrique :

- C’est le phénomène d’éjection d’électrons d’un métal sous l’effet de radiations lumineuses.

- Pour un métal donné, cet effet se manifeste que pour des photons d’énergie suffisamment grande.

- L’effet est quasiment instantané.

- Il se manifeste si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction d’un électron du métal W_extraction.

- L’énergie excédentaire est emportée par l’électron sous forme d’énergie cinétique.

- Pour un métal donné, l’effet photoélectrique se produit lorsque la longueur d’onde de la radiation mise en jeu est inférieure à une longueur d’onde de seuil λ_S.

- La fréquence ν de cette radiation est supérieure à la fréquence de seuil ν_S.

- L’énergie de chaque photon associé à cette radiation lumineuse est alors suffisante pour arracher un électron du métal : on observe alors l’effet photoélectrique.

- Schéma :

Travail d’extraction;: Wextraction

- Cas du potassium et du béryllium :

Travail d’extraction : W_extraction.

- L’énergie minimale qui permet d’arracher un électron d’un métal est égale au travail à fournir pour extraire un électron libre proche de la surface du métal.

- Cette énergie est appelée travail d’extraction, notée W_extraction.

- Elle diffère d’un métal à un autre. C’est une grandeur caractéristique d’un métal.

- Si l’énergie du photon est supérieure au travail d’extraction W_extraction, l’excédent d’énergie est emporté par cet électron sous forme d’énergie cinétique.

- L’arrachage d’autres électrons nécessite une plus grande énergie.

- Pour une même radiation lumineuse, l’énergie de l’électron arraché est plus faible.

- En conclusion :

- L’énergie cinétique d’un électron arraché est maximale pour un électron libre proche de la surface du métal.

- Schéma :

Travail d’extraction;: Wextraction

- Équation de conservation de l’énergie : Équation d’EINSTEIN de l’effet photoélectrique.

- ℰ_photon = W_extraction + ℰ_Cmax

- Avec :

- ℰ_photon = h . υ_photon et

- Tableau :

ℰ_photon = W_extraction + ℰ_Cmax
υ_photon	La fréquence du photon en hertz (Hz)
W_extraction	Travail d’extraction en joule (J) ou électron-volt (eV) 1 eV = 1,60 × 10^–19 J
m_e	Masse de l’électron : m_e = 9,109 × 10^–31 kg
v_max	Vitesse maximale de l’électron en mètre par seconde (m . s^–1)
h	Constante de Planck : h = 6,626 × 10^–34 J . s

_{Les cellules photovoltaïques :

-

Les cellules photovoltaïques exploitent l’effet photoélectrique pour produire un
courant continu par absorption d’un rayonnement solaire.

-

Une telle cellule convertit directement l’énergie lumineuse des photons en
énergie électrique.

-

Pour fabriquer de telles cellules, on utilise des semi-conducteurs.

-

Une cellule photovoltaïque est composée de 2 types de matériaux
semi-conducteurs :

-

L’un des matériaux présente un excès d’électrons, elle est dite dopée de type
n (comme négatif)

-

et l’autre un défaut d’électrons, elle est dite dopée de type
p (comme positif)

-

Exemple : le silicium, le phosphore, le bore,

Rendement d’une cellule photovoltaïque :

-

Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de la puissance
exploitable sur la puissance en entrée.

-

Le rendement η d’une cellule photovoltaïque est le rapport de l’énergie
exploitable sur l’énergie en entrée.

-

Avec les notations précédentes :}


η	Grandeur sans unité : 0 < η ≤ 1
P_électrique	Puissance exploitable : Puissance électrique en watt (W)
P_lumineuse	Puissance en entrée : Puissance lumineuse en watt (W)

- rendement : 20 %