Analyse critique
Les caractéristiques principales révélées par l'expérience sont les suivantes :
Il n'a lieu que pour une fréquence du rayonnement \(\nu\) supérieure à une fréquence limite \(\nu_0\). En dessous de cette fréquence seuil, l'effet photoélectrique ne se produit pas quelle que soit l'intensité du rayonnement.
Explication :
Cette expérience ne peut être comprise dans le cadre de la physique classique. Si on conçoit classiquement que de l'énergie lumineuse est apportée aux électrons du métal par l'onde électromagnétique incidente, il suffit d'augmenter cette énergie en augmentant l'intensité incidente pour arracher les électrons de la surface, et ce, quelle que soit la fréquence de l'onde.
L'existence d'une fréquence seuil n'est donc pas interprétable par la physique classique pour laquelle l'énergie lumineuse ne dépend pas de la fréquence et s'échange continuement.
Le nombre d'électrons extraits est proportionnel à l'intensité du rayonnement : au dessus du seuil de fréquence, l'effet intervient et persiste même si l'on diminue à l'extrême cette intensité.
Explication :
Ce résultat est cohérent avec l'approche classique. Plus l'intensité est grande, plus le rayonnement communique d'énergie à la plaque métallique. Les électrons sont alors plus nombreux à recevoir suffisamment d'énergie pour vaincre l'attraction du métal.
Dans le cas de très faibles intensités, on devrait, d'après la physique classique, observer un temps de latence traduisant le délai d'accumulation de suffisamment d'énergie par les électrons pour qu'ils se libèrent du métal.
L'effet est instantané, même pour de très faibles intensités lumineuses.
Explication :
Ce résultat est en contradiction avec un modèle classique pour lequel l'énergie lumineuse doit d'abord être accumulée pendant un certain temps de latence avant de permettre aux électrons de s'échapper.
On peut alors en conclure que l'énergie cédée aux électrons par le rayonnement ne dépend pas uniquement de l'amplitude de l'onde.
Il existe une valeur seuil du potentiel \(\mathrm{V_S}\) au dessous de laquelle les électrons ne sont plus émis.
Explication :
La courbe ci-dessous donne le photocourant électrique recueilli en P sur l'électromètre en fonction du potentiel \(\mathrm{V_c}\) pour plusieurs valeurs de l'intensité lumineuse, la fréquence du rayonnement étant fixe.
On constate que lorsque \(\mathrm{V_c}\) augmente jusqu'à une valeur \(\mathrm{V_S}\) du potentiel, le courant reste constant. Au delà de ce seuil, le courant est nul, plus aucun électron n'arrive sur l'électromètre.
Pour ce potentiel d'arrêt \(\mathrm{V_S}\), l'énergie cinétique maximale des électrons est strictement compensée par l'énergie potentielle électrostatique.
\(\mathbf{\textrm e.V_S=\frac{1}{2}.m.\textrm v^2}\)
Le potentiel d'arrêt est le même quelle que soit l'intensité ; l'energie cinétique maximale des électrons émis est donc indépendante de l'intensité lumineuse incidente.
Cette observation est incompatible avec les enseignements de la physique classique :
l'énergie reçue par les électrons et transformée en énergie cinétique devrait augmenter avec l'intensité lumineuse incidente,
l'accumulation de l'énergie lumineuse par les électrons devrait leur permettre de vaincre le potentiel d'arrêt.
Le potentiel d'arrêt dépend de la fréquence du rayonnement.
Explication :
La figure suivante porte, pour trois expériences d'irradiation aux fréquences croissantes \(\nu_1,\nu_2,\nu_3\), et à intensité lumineuse constante, l'intensité du photocourant recueilli en fonction du potentiel \(\mathrm{V_c}\).
Le potentiel d'arrêt \(\mathrm{V_S}\) dépend de la fréquence.
Cette observation est aussi incompatible avec un modèle classique dans lequel la fréquence ne joue pas sur la quantité d'énergie transportée par la lumière.
L'énergie cinétique maximale des électrons expulsés ne dépend pas de l'intensité du rayonnement mais de l'écart \(\Delta\nu=\nu-\nu_0\).
Explication :
La figure ci-dessous donne l'énergie électrostatique \(\textrm e.\mathrm{V_S}\) associée au potentiel d'arrêt, en fonction de la fréquence, pour deux métaux différents.
\(\mathbf{\textrm e.V_S=\frac{1}{2}.m.\textrm v^2}\)
C'est une mesure de l'énergie cinétique maximale des photoélectrons.
La pente est la même pour tous les métaux, égale à la constante de Planck. Il vient :
\(\mathbf{\textrm e.V_S=\textrm h.\nu-\textrm h.\nu_0}\)
où la fréquence seuil \(\nu_0\) est caractéristique du métal.
Ces faits sont complètement incompréhensibles avec l'image classique d'un échange continu d'énergie entre la matière et le rayonnement.