Leçon : Énergie cinétique des photoélectrons Physique

Dans cette leçon, nous allons apprendre comment calculer l'énergie cinétique maximale possible des électrons éjectés de la surface d'un métal sous l'effet photoélectrique.

Plan de la leçon

Objectifs

Les élèves pourront

  • décrire l’effet photoélectrique,
  • utiliser la formule 𝐸=𝑓𝑊max
    • etant données la valeur des autres paramètres, trouver l’énergie cinétique maximale, 𝐸max, des électrons émis par un matériau par effet photoélectrique,
    • etant données la valeur des autres paramètres, déterminer la fréquence, 𝑓, de photons incidents à la surface du matériau,
    • trouver le travail de sortie, 𝑊, du matériau étant donné les autres valeurs,
  • trouver le travail de sortie d’un matériau à partir du graphique de l’énergie cinétique des électrons en fonction de la fréquence des photons,
  • calculer le travail de sortie d’un matériau à partir d’un graphique de l’énergie cinétique des électrons en fonction de la longueur d’onde du photon.

Prérequis

Les élèves doivent être déjà familiarisés avec

  • l’idée que la lumière est constituée de photons,
  • comment utiliser les formules 𝐸=𝑓 et 𝐸=𝑐𝜆,
  • la conversion entre électronvolts (eV) et joules (J),
  • comment utiliser la formule 𝐸=12𝑚𝑣 pour calculer l’énergie cinétique d’un objet de masse 𝑚 et de vitesse 𝑣,
  • comment utiliser la formule 𝐼=𝑄𝑡 pour déterminer le courant si une quantité totale de charge 𝑄 traverse un point en un laps de temps 𝑡.

Exclusions

Les élèves ne couvriront pas

  • le concept selon lequel les photons possèdent une quantité de mouvement et le calcul de quantité de mouvement d’un photon en fonction de sa fréquence ou de sa longueur d’onde,
  • autre phénomène corpusculaire de la lumière, tel que la diffusion Compton,
  • l’idée que lorsqu’un atome absorbe un photon, l’un des électrons de l’atome se déplace vers un niveau d’énergie plus élevé et que lorsqu’un atome émet un photon, l’un des électrons de l’atome se déplace vers un niveau d’énergie inférieur,
  • les facteurs qui font que le travail de sortie varie d’un matériau à l’autre.

Fiche d'activités de la leçon

Q1:

Un laser de 20,0 mW qui produit une lumière de 250 nm est utilisée pour éclairer un bloc en argent. Cela provoque des éjections d'électrons par la surface du bloc. Si tous les photons produits par le laser éjectent chacun un électron de l'argent, quel sera le courant photoélectrique total? Sachant que l'argent a un travail de sortie de 4,26 eV. Utilise une valeur de 4,14×10 eV⋅s pour la constante de Planck et une valeur de 1,6×10 C pour la charge d'un électron. Donne ta réponse avec deux décimales.

Q2:

Un laser de 12,0 mW qui produit une lumière de 400 nm est utilisée pour illuminer la surface d'un bloc de sodium.

Combien d'énergie a chaque photon produit par le laser? Utilise une valeur de 4,14×10 eV⋅s pour la constante de Planck. Donne ta réponse au centième près.

Combien de photons sont produits par le laser chaque seconde? Donne ta réponse en notation scientifique, au centième près.

Le sodium a un niveau de travail d'extraction de 2,28 eV. Quelle est l'énergie cinétique maximale que les électrons éjectés du sodium peuvent avoir? Donne ta réponse au centième près.

Quelle est la vitesse d'un électron qui est éjecté avec l'énergie cinétique maximale? Donne ta réponse au kilomètre par seconde près.

Si tous les photons produits par le laser éjectent chacun un électron du sodium, quel est le courant total des photoélectrons? Utilise une valeur de 1,60×10 C pour la charge d'un électron. Donne ta réponse au centième près.

Q3:

Le graphique montre l'énergie cinétique maximale des photoélectrons lorsque différents métaux sont éclairés par une lumière de différentes longueurs d'onde.

Quel métal a le travail de sortie le plus bas?

Quel métal a le travail de sortie le plus élevé?

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