E.2 · Physique quantique

Cette fiche couvre des sujets HL sélectionnés pour le cours évalué pour la première fois en 2025 ; elle ne représente pas l'intégralité du programme.

Prérequis : lire les quantités et unités indiquées, puis utiliser l'arithmétique et les conditions du modèle ci-dessous.

Les exemples sont originaux et fictifs : ils ne correspondent ni à de vraies mesures ni à de véritables enquêtes d'étudiants.

Qu'est-ce qui expliquerait cette observation ?

• Une lumière brillante de basse fréquence peut échouer à éjecter des électrons tandis qu'une lumière plus sombre de haute fréquence y parvient. L'énergie des photons dépend de la fréquence, et non seulement de l'intensité.

Construire le modèle

• L'énergie d'un photon est proportionnelle à sa fréquence.
• Le travail d'extraction est l'énergie minimale nécessaire pour éjecter un électron depuis une surface.
• Au-dessus du seuil, l'excès d'énergie photonique peut se transformer en énergie cinétique de l'électron.
• Photon : Quantum de rayonnement électromagnétique.
• Travail d'extraction : Énergie minimale de surface requise pour éjecter un électron.

Choisir des preuves capables de le tester

• Utiliser : Énergie du photon = constante de Planck × fréquence.
• Énergie cinétique maximale = Énergie du photon - travail d'extraction.
• Augmenter l'intensité à fréquence fixe accroît le taux d'arrivée des photons, mais pas l'énergie individuelle de chaque photon.

En laboratoire : Lire attentivement les axes sur un graphique de potentiel d'arrêt ou d'énergie cinétique. Identifier la fréquence seuil à partir de l'intersection avec l'axe zéro énergie. Indiquer le métal et les conditions expérimentales car le travail d'extraction est spécifique au matériau.

Travailler à partir de quantités connues

• Données connues : l'énergie du photon est 5.0 électronvolts et le travail d'extraction est 2.0 électronvolts.
• Énergie cinétique maximale = Énergie du photon - travail d'extraction = 5.0 - 2.0 = 3.0 électronvolts.
• Un photon de 1.5 électronvolt ne peut provoquer d'émission depuis cette surface dans ce modèle.

À vous : L'énergie du photon est 4.8 eV et le travail d'extraction 2.1 eV. Trouvez l'énergie cinétique maximale.

Vérifier la conclusion et ses limites

• Dans le modèle élémentaire à photon unique, les électrons n'accumulent pas plusieurs photons sous le seuil.
• Ne pas confondre le nombre de photons avec l'énergie des photons.

Faux : Doubler l'intensité lumineuse double l'énergie de chaque photon à fréquence fixe. L'intensité correspond au nombre de photons arrivant par seconde ; l'énergie d'un photon est déterminée uniquement par sa fréquence (E = hf). Doubler l'intensité double le nombre d'électrons, mais pas l'énergie de chaque électron — exactement ce que prédit l'équation de l'effet photoélectrique.

Clé :

• L'énergie d'un photon est proportionnelle à sa fréquence.
• Utiliser : Énergie du photon = constante de Planck × fréquence.
• Attention : dans le modèle élémentaire du photon unique, les électrons n'accumulent pas plusieurs photons sous le seuil.

Écrire à partir d'une énergie cinétique maximale de 3.6 électronvolts

• Un photon a une énergie de 6.0 électronvolts et le travail d'extraction est de 2.4 électronvolts.
• Trouver l'énergie cinétique maximale. Doubler l'intensité ne double pas l'énergie de chaque photon.

Écrire à partir d'une lecture du seuil

• Travail d'extraction 2.0 eV ; photons incidents de 3.0 eV.
• Énergie électronique maximale = 3.0 − 2.0 = 1.0 eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ J — sous le seuil, aucune intensité ne suffit ; au-dessus, l'intensité détermine le courant tandis que la fréquence détermine l'énergie.

Écrire à partir d'une tension d'arrêt

• Les électrons les plus rapides sont juste stoppés par 1.5 V.
• Leur énergie cinétique maximale est 1.5 eV — la tension d'arrêt mesure directement l'énergie des électrons, un volt pour un électronvolt.