2024-03-24 22:00:00
S’ils vous demandent de souligner l’une des contributions d’Einstein à la physique et à la science, Lequel vous vient à l’esprit en premier ? C’est probablement la théorie de la relativité.
Cependant, même s’il s’agit d’une des associations les plus connues en termes de découverte scientifique, il faut savoir que la relativité n’a rien à voir avec le prix Nobel de Einstein.
Le protagoniste de ce prix était cependant un phénomène très différent de celui qu’Albert Einstein avait réussi à expliquer en 1922 : effet photoélectrique.
AVANT LE GÉNIE
Cependant, bien qu’il l’ait expliqué, Einstein n’était pas encore né lorsque l’effet fut remarqué pour la première fois : la première indication remonte à 1839. A cette époque, le physicien français Alexandre Edmond Becquerel Il a observé que certains matériaux émettaient de petits courants électriques lorsqu’ils étaient exposés à la lumière.
Or, Becquerel a simplement pris note de cette détection, mais il ne s’est pas arrêté pour l’étudier et a été Henri Hertz, dans la décennie de 1887, qui fit les premières expériences. Ce scientifique est celui qui a découvert que la lumière ultraviolette pouvait libérer des électrons d’une surface métallique, une description très basique de ce qui allait devenir plus tard l’effet photoélectrique.
Il n’en reste pas moins vrai qu’Albert Einstein est le scientifique qui a réalisé le progrès le plus significatif en matière de comprendre l’effet lorsqu’il proposa sa théorie des photons. Dans un article, Einstein postulait que la lumière était composée de minuscules particules discrètes, appelées photons, chacun avec une énergie proportionnelle à sa fréquence. La vérification de cette affirmation par diverses expériences a ainsi consolidé l’hypothèse d’Einstein et, avec elle, la modèle quantique de la lumière et de la matière.
L’EFFET PHOTOÉLECTRIQUE
De cette manière, l’effet photoélectrique est un phénomène qui prend pour protagoniste le lumière et électrons d’un matériau. Imaginez que vous ayez une surface composée d’une série d’atomes.
Eh bien, pour donner forme à ce matériau, les atomes doivent avoir forcer entre eux qui les maintient ensemble et, logiquement, au sein de l’atome lui-même, il doit aussi y avoir une autre force qui unit les protons, les électrons et les neutrons.
Ainsi, si la lumière – formée par les photons – tombe sur ce matériau et a une énergie supérieure à l’énergie de liaison des électrons, ceux-ci peuvent atteindre soyez libredonnant lieu à une émission photoélectrique et, avec elle, un courant électrique.
De Ponor – Travail personnel, CC BY-SA 4.0
Schéma illustrant l’émission d’électrons (en rouge) à partir d’une plaque métallique lors de la réception d’une énergie suffisante transférée par des photons incidents (lignes ondulées).
La figure du physicien Max Planck entre également en jeu ici car, selon ses contributions, l’énergie que possède un photon est directement lié à sa fréquence. En d’autres termes, cela signifie que plus la fréquence de la lumière est élevée, plus l’énergie des photons est élevée.
D’un autre côté, en physique, l’énergie minimale pour libérer un photon est appelée fonction professionnelle. En unissant ces concepts, nous obtenons une règle très simple qui définit complètement ce curieux phénomène : si l’énergie du photon est égale ou supérieure au travail de travail, le émission photoélectrique.
En fait, l’existence d’un fréquence limite, en dessous de laquelle l’émission de photons n’est pas observée, est une caractéristique très importante de l’effet photoélectrique. Et cette fréquence seuil est une propriété spécifique de chaque matériau : un photon avec une certaine énergie qui frappe un matériau peut déclencher l’effet, mais en même temps, avec cette même énergie, il ne peut pas produire l’émission et, par conséquent, le courant électrique, dans un matériau différent.
Le grand héritage de Max Planck : la mécanique quantique
L’INTERPRÉTATION D’EINSTEIN
Avec cette explication, Einstein postula pour la première fois que la lumière était composée de petites particules appelées photons, dont l’énergie était proportionnelle à leur fréquence, selon l’équation de Planck.
En d’autres termes, les photons ne pouvaient présenter aucun type d’énergie, mais seulement celle qui était multiple de sa fréquence et de la constante de Planck. Cette idée représentait ni plus ni moins une rupture avec la théorie ondulatoire classique de la lumière, qui la considérait comme une forme de rayonnement continu.
La théorie des photons d’Einstein a donc fourni une explication cohérente pour les résultats empiriques de l’effet, y compris la dépendance du courant photoélectrique sur la fréquence de la lumière incidente et l’observation d’une fréquence seuil pour différents types de matériaux.
Selon son interprétation, lorsqu’un photon frappe un matériau, il transféré son énergie à un électron du matériau, le libérant ainsi avec une certaine vitesse et créant un courant électrique.
CC
De gauche à droite : W. Nernst, A. Einstein, M. Planck, RA Millikan et von Laue lors d’un dîner donné par von Laue le 12 novembre 1931 à Berlin.
ÉNERGIE SOLAIRE
L’une des applications modernes les plus populaires de l’effet photoélectrique est celle des photocellules solaires, également connues sous le nom de Cellules photovoltaïquesutilisé pour convertir l’énergie du soleil directement en énergie électrique.
Points quantiques : la base des nouveaux semi-conducteurs
La structure de base de ces appareils est constituée de couches de matériaux semi-conducteursnormalement du silicium qui, lorsqu’il est éclairé par la lumière du soleil, interagit avec les photons qui le composent.
Lorsqu’un photon ayant suffisamment d’énergie frappe la cellule, il peut exciter un électron dans le matériau semi-conducteur, lui donnant ainsi l’énergie nécessaire. énergie nécessaire pour surmonter le travail de travail du matériau et se libérer de l’atome auquel il était attaché.
Les électrons libérés par la lumière solaire sont alors dirigés vers un circuit électrique extérieurement grâce à une différence de potentiel créée par la structure de la cellule. C’est ce flux d’électrons qui a la capacité de créer un courant électrique qui peut être utilisé pour effectuer des travaux utiles, comme alimenter des appareils électroniques ou charger des batteries.
Cependant, la clé de l’efficacité et de la qualité des photocellules réside sans aucun doute dans le bon sélection des matériaux semi-conducteurs et conception de structures de la cellule, pour maximiser l’absorption de la lumière solaire et l’efficacité de la conversion d’énergie.
D’un autre côté, il est extrêmement important de prendre en compte d’autres facteurs, tels que environnemental ou ceux liés à la intensité de la lumière ou son spectrecar ils peuvent affecter les performances des cellules et affecter la transformation du courant électrique.
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