Effets photoélectroniques
Les premières expériences vers la dualité onde-particule ont été réalisées par le physicien allemand Max Planck (1858-1947). En utilisant un radiateur à corps noir (émetteur et absorbeur égaux de rayonnement à toutes les longueurs d’onde), Planck a dérivé l’équation de la plus petite quantité d’énergie qui peut être changée en lumière
où h est la constante de Planck 6,626×10-34 J.S et v est la fréquence.
Il a également formulé la théorie quantique en disant que la lumière qui était émise avait des niveaux discrets d’énergie, et que l’énergie qui était rayonnée était quantifiée;
E=nhv
(où n est un nombre entier, et peut être zéro ou un nombre positif).
La quantification de l’énergie indique qu’il y a des valeurs ou des états discrets, et les énergies entre les valeurs de n sont interdites. Par conséquent, il a déclaré que si x nombre de particules étaient présentes avec une certaine valeur de fréquence, que l’énergie serait
E=xhv
La fréquence est liée à la longueur d’onde où c=vλ ou v=c/λ
Remplacer v=c/λ dans l’équation ci-dessus, nous avons
E=xhc/λ
En 1905, Einstein a supposé que les énergies discrètes de Planck sont des paquets d’énergie appelés photons. L’énergie totale d’un système est égale à l’énergie cinétique plus l’énergie potentielle, et comme toujours la loi de conservation de l’énergie s’applique. Einstein a expliqué que, dans l’effet photoélectrique, l’énergie de chaque photon est absorbée par un électron dans un métal donné, et qu’en conséquence, l’électron est capable de s’éjecter si l’énergie du photon est égale ou supérieure à l’énergie de seuil (figure 2). L’énergie seuil est la quantité d’énergie nécessaire pour éjecter un électron, et est appelée fonction de travail Φ.
Puisque E=hv
nous pouvons réécrire l’équation pour montrer que l’énergie totale est égale à Φ plus l’énergie cinétique
E = Φ + KE = hv
L’effet photoélectrique montre que la lumière se comporte comme un photon ou une particule emballée avec de l’énergie, en d’autres termes les ondes lumineuses se comportent comme des particules.
Selon la théorie particulaire de la lumière, l’énergie lumineuse augmentera jusqu’à une valeur discrète et finie à moins que λ n’atteigne zéro, ce qui n’arrivera jamais selon la théorie de la particule dans une boîte unidimensionnelle. Cela permet d’expliquer l’observation du rayonnement du corps noir.