Physique

L’objectif de ce document est de comprendre pourquoi l’effet photoélectrique est une preuve expérimentale de l’existence du photon.

« La découverte et l’étude du phénomène photoélectrique a réservé aux physiciens une très grande surprise. Ce phénomène consiste en ceci qu’un morceau de matière exposé à l’action d’une radiation de longueur d’onde suffisamment courte projette souvent autour de lui des électrons en mouvement rapide. La caractéristique essentielle du phénomène est que l’énergie des électrons expulsés est uniquement fonction de la fréquence de la radiation incidente et ne dépend nullement de son intensité. Seul le nombre des électrons dépend de l’intensité incidente. Ces lois empiriques simples rendaient très pénibles l’interprétation théorique du mécanisme élémentaire aboutissant à la libération des électrons photoélectriques, des photoélectrons comme on dit aujourd’hui. La théorie ondulatoire de la lumière qui paraissait vers 1900 reposait sur des bases inébranlables conduit à considérer l’énergie radiante comme répartie uniformément dans l’onde lumineuse. Un électron frappé par une onde lumineuse reçoit donc l’énergie radiante d’une façon continue et la quantité d’énergie qu’il reçoit ainsi par seconde est proportionnelle à l’intensité de l’onde incidente et ne dépend nullement de la longueur d’onde. Les lois de l’effet photoélectrique paraissaient donc bien difficiles à expliquer.

Documents

Photon

En 1900, pour comprendre comment la matière et les ondes électromagnétiques échangent de l’énergie, le physicien Max Planck énonce que ces échanges ne peuvent se faire que par « paquets » d’énergie bien définis qu’il nomme quanta (pluriel de quantum, plus petite mesure indivisible).

En 1905, Albert Einstein comprend que limiter la notion de quanta aux seuls échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement est trop réducteur : les quanta d’énergie sont portés par des particules associées au rayonnement (indépendamment à tout échange d’énergie).

En 1926, Gilbert Newton Lewis invente le mot photon pour nommer les particules qui transportent les quanta d’énergie.

Il existe donc deux modèles complémentaires pour décrire le comportement d’un rayonnement :

• ondulatoire : un rayonnement est une onde périodique sinusoïdale de fréquence $\nu$ se propageant à la célérité $c$ dans le milieu ;

• corpusculaire : un rayonnement est constitué par des photons, particules sans masse se propageant à la célérité $c$ dans le milieu et possédant l’énergie (en joule J) : $$E_r = h \nu$$ où $\nu$ est la fréquence de l’onde associée au photon et $h$ la constante de Planck ($h = \pu{6,63e-34 J.s}$).

> En fonction des problèmes, il peut être plus pratique de considérer un rayonnement soit comme une onde, soit comme un corpuscule : **dualité onde-particule**.

Dans les documents précédents nous avons précisé la notion de vitesse et nous sommes intéressés au vecteur « variation de vitesse ». Pourquoi avoir introduit ce vecteur ? Et pourquoi ne pas introduire le vecteur « variation de variation de vitesse » ? Ce document a pour objectif de vous faire réaliser l’importance du vecteur « variation de vitesse ».

Lancer et réception d’un médecine – ball

On lance, à la verticale, un médecine – ball et on le rattrape.

Loi de décroissance

Évolution du nombre de noyaux d’un échantillon de noyaux radioactifs

Soit un échantillon contenant des atomes radioactifs susceptibles de se désintégrer selon l’un des modes définis dans le cours.

1. Écrire l’équation de désintégration du césium 137, émetteur $\beta^-$.

Une désintégration radioactive est par nature probabiliste : c’est un phénomène aléatoire. À chaque instant, il y existe une certaine probabilité pour qu’un noyau se désintègre entre deux dates $t$ et $t + \Delta t$. On note cette probabilité $\lambda, \Delta t$ où $\lambda$ est une constante caractéristique du noyau considéré et indépendante du temps.

Le langage de la thermodynamique

Système

• On désigne ainsi l’objet d’étude ; il s’agit en général d’un système matériel, une « portion d’Univers ».
  Le système est défini par séparation avec le reste de l’Univers appelé le milieu extérieur.

• Un système thermodynamique est plus riche qu’un système mécanique ; il ne peut généralement pas être uniquement décrit, après modélisation, par un simple ensemble de paramètres géométriques : positions, vitesses, orientations, … des constituants. Sa description nécessite l’introduction d’autres grandeurs fondamentales ; l’une d’elles est la température.

La matière à différentes échelles

Les ordres de grandeurs de différentes grandeurs de même nature permettent de les comparer rapidement.

Quelques ordres de grandeur

• Rayon moyen d’un noyau : $\pu{10^{-15} m}$ ;

• Rayon moyen d’un atome : $\pu{10^{-10} m}$ ;

• Longueur moyenne d’une bactérie : $\pu{10^{- 6} m}$ ;

• Taille d’un être humain : $\pu{1 m}$ ;

• Rayon de la Terre : $\pu{10^7 m}$ ;

• Diamètre de la Voie Lactée : $\pu{10^{21} m}$.