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Le photon : effet photoélectrique et cellule photovoltaïque
Le photon (énergie, vitesse, masse) et le flux de photons ; l’effet photoélectrique, ses caractéristiques et son importance historique ; travail d’extraction, seuil et cellule photoélectrique ; bilan d’énergie E<sub>c,max</sub> = hν − W ; absorption et émission de photons par les atomes et les semi-conducteurs ; cellule photovoltaïque et rendement.
À propos de cette page
Les 36 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile ★ — 12 questions
La masse d’un photon est :
- A. très faible, mais pas tout à fait nulle
- B. nulle, quelle que soit sa fréquence
- C. égale à la masse d’un électron
- D. proportionnelle à sa fréquence
Réponse
B. nulle, quelle que soit sa fréquence — Le photon a une masse nulle ; il se déplace dans le vide à la vitesse c.
Dans le vide, un photon ultraviolet se déplace :
- A. plus vite qu’un photon infrarouge
- B. moins vite qu’un photon infrarouge
- C. à une vitesse proportionnelle à sa fréquence
- D. à la même vitesse qu’un photon infrarouge
Réponse
D. à la même vitesse qu’un photon infrarouge — Tous les photons vont à c = 3,00 × 10⁸ m/s dans le vide ; seule leur énergie dépend de la fréquence.
L’effet photoélectrique est :
- A. l’émission d’électrons par un métal éclairé
- B. l’émission de lumière par un métal chauffé
- C. l’absorption de lumière par une solution colorée
- D. l’émission de photons par un courant électrique
Réponse
A. l’émission d’électrons par un métal éclairé — Des photons assez énergétiques arrachent des électrons à un métal.
Le travail d’extraction W d’un métal est :
- A. l’énergie cinétique des électrons émis
- B. l’énergie d’un photon de la lumière reçue
- C. l’énergie minimale pour arracher un électron
- D. le nombre d’électrons émis par seconde
Réponse
C. l’énergie minimale pour arracher un électron — W est l’énergie minimale qu’un électron doit recevoir pour quitter le métal.
L’énergie d’un photon de fréquence ν s’écrit :
- A. E = h/ν
- B. E = hλ/c
- C. E = hν
- D. E = hcλ
Réponse
C. E = hν — Relation de Planck-Einstein : E = hν = hc/λ, proportionnelle à la fréquence.
Un métal émet des électrons si l’énergie hν des photons reçus est :
- A. supérieure ou égale à W
- B. inférieure ou égale à W
- C. exactement égale à W
- D. au moins le double de W
Réponse
A. supérieure ou égale à W — Un électron absorbe un seul photon : il faut hν ≥ W ; l’excédent devient énergie cinétique.
La constante de Planck h s’exprime en :
- A. joules par seconde (J·s⁻¹)
- B. hertz (Hz)
- C. électronvolts par mètre
- D. joules-secondes (J·s)
Réponse
D. joules-secondes (J·s) — h = E/ν : des joules divisés par des s⁻¹, soit des J·s. Le joule par seconde est un watt.
Le rendement d’une cellule photovoltaïque est le rapport :
- A. puissance lumineuse ÷ puissance électrique
- B. puissance électrique ÷ puissance lumineuse
- C. tension ÷ intensité du courant
- D. puissance électrique ÷ surface
Réponse
B. puissance électrique ÷ puissance lumineuse — Rendement = puissance utile (électrique) ÷ puissance reçue (lumineuse), toujours inférieur à 1.
En 1 905, Einstein explique l’effet photoélectrique en supposant que :
- A. la lumière échange son énergie par quanta hν
- B. la lumière est une onde de très haute fréquence
- C. les électrons du métal sont attirés par la lumière
- D. la lumière chauffe le métal jusqu’à l’évaporer
Réponse
A. la lumière échange son énergie par quanta hν — Chaque quantum, le futur photon, cède son énergie hν à un seul électron : d’où le seuil en fréquence.
Une DEL émet des photons dont l’énergie est voisine :
- A. du travail d’extraction de ses bornes
- B. de l’énergie d’ionisation d’un atome
- C. du gap de son semi-conducteur
- D. de l’énergie de la lumière ambiante
Réponse
C. du gap de son semi-conducteur — Un électron qui retombe à travers le gap émet un photon d’énergie voisine de Eg : le gap fixe la couleur.
Un semi-conducteur absorbe un photon si l’énergie de ce photon est :
- A. exactement égale à son gap
- B. au moins égale à son gap
- C. strictement inférieure à son gap
- D. égale à la moitié de son gap
Réponse
B. au moins égale à son gap — Contrairement à un atome isolé, un semi-conducteur absorbe tout photon d’énergie supérieure ou égale au gap.
Au-dessus du seuil, augmenter l’intensité lumineuse :
- A. augmente l’énergie cinétique des électrons
- B. augmente le travail d’extraction du métal
- C. ne change rien du tout à l’émission
- D. augmente le nombre d’électrons émis
Réponse
D. augmente le nombre d’électrons émis — Plus de photons, donc plus d’électrons émis par seconde ; l’énergie de chacun ne change pas.
Niveau moyen ★★ — 12 questions
L’énergie d’un photon de longueur d’onde 310 nm vaut :
- A. 6,42 eV
- B. 2,48 eV
- C. 0,40 eV
- D. 4,01 eV
Réponse
D. 4,01 eV — E = 1,989 × 10⁻²⁵ ÷ 310 × 10⁻⁹ = 6,42 × 10⁻¹⁹ J, soit 4,01 eV : 6,42 est la valeur en 10⁻¹⁹ J, pas en eV.
La fréquence d’un photon d’énergie 2,50 eV vaut :
- A. 6,03 × 10¹⁴ Hz
- B. 3,77 × 10¹⁴ Hz
- C. 1,66 × 10⁻¹⁵ Hz
- D. 4,00 × 10⁻¹⁹ Hz
Réponse
A. 6,03 × 10¹⁴ Hz — E = 2,50 × 1,60 × 10⁻¹⁹ = 4,00 × 10⁻¹⁹ J, puis ν = E ÷ h = 6,03 × 10¹⁴ Hz.
Un photon de 2,25 eV a une énergie de :
- A. 1,41 × 10¹⁹ J
- B. 2,25 × 10⁻¹⁹ J
- C. 3,60 × 10⁻¹⁹ J
- D. 7,11 × 10⁻²⁰ J
Réponse
C. 3,60 × 10⁻¹⁹ J — Pour passer des eV aux joules, on multiplie par 1,60 × 10⁻¹⁹ : 2,25 × 1,60 × 10⁻¹⁹ = 3,60 × 10⁻¹⁹ J.
Un laser de 0,60 mW émet des photons de 3,0 × 10⁻¹⁹ J. Nombre de photons émis par seconde :
- A. 2,0 × 10¹² s⁻¹
- B. 2,0 × 10¹⁵ s⁻¹
- C. 5,0 × 10⁻¹⁶ s⁻¹
- D. 1,8 × 10⁻²² s⁻¹
Réponse
B. 2,0 × 10¹⁵ s⁻¹ — N = P ÷ E = 0,60 × 10⁻³ ÷ 3,0 × 10⁻¹⁹ = 2,0 × 10¹⁵ s⁻¹ : il faut convertir les mW en W.
Un métal de travail d’extraction 2,60 eV reçoit des photons de 3,15 eV. Énergie cinétique maximale des électrons :
- A. 5,75 eV
- B. 0,55 eV
- C. 1,21 eV
- D. aucun électron
Réponse
B. 0,55 eV — hν > W, donc émission ; Ec,max = hν − W = 3,15 − 2,60 = 0,55 eV.
Un photon de 5,20 eV frappe du magnésium (W = 3,66 eV). Énergie cinétique maximale de l’électron émis :
- A. 8,86 eV
- B. 3,66 eV
- C. 1,42 eV
- D. 1,54 eV
Réponse
D. 1,54 eV — Ec,max = hν − W = 5,20 − 3,66 = 1,54 eV.
Longueur d’onde seuil d’un métal de travail d’extraction 2,00 eV :
- A. 622 nm
- B. 311 nm
- C. 1,24 µm
- D. 6,22 nm
Réponse
A. 622 nm — W = 3,20 × 10⁻¹⁹ J ; λs = hc ÷ W = 1,989 × 10⁻²⁵ ÷ 3,20 × 10⁻¹⁹ = 6,22 × 10⁻⁷ m = 622 nm.
Un atome se désexcite en émettant un photon de 2,85 eV. Longueur d’onde de ce photon :
- A. 218 nm
- B. 4,36 µm
- C. 436 nm
- D. 872 nm
Réponse
C. 436 nm — E = 2,85 × 1,60 × 10⁻¹⁹ = 4,56 × 10⁻¹⁹ J ; λ = hc ÷ E = 4,36 × 10⁻⁷ m = 436 nm.
Un panneau de 1,50 m² sous 600 W·m⁻² fournit 171 W. Son rendement vaut :
- A. 28,5 %
- B. 5,26 %
- C. 19,0 %
- D. 11,4 %
Réponse
C. 19,0 % — P_lum = 600 × 1,50 = 900 W ; η = 171 ÷ 900 = 0,190, soit 19,0 %. Oublier la surface donnerait 28,5 %.
Une cellule photoélectrique débite 3,2 µA. Nombre d’électrons collectés par seconde :
- A. 2,0 × 10¹⁰
- B. 2,0 × 10¹³
- C. 5,1 × 10⁻²⁵
- D. 3,2 × 10⁻⁶
Réponse
B. 2,0 × 10¹³ — Nₑ = I ÷ e = 3,2 × 10⁻⁶ ÷ 1,60 × 10⁻¹⁹ = 2,0 × 10¹³ électrons par seconde.
Un semi-conducteur de gap 1,80 eV ne peut pas absorber un photon de longueur d’onde :
- A. 480 nm
- B. 640 nm
- C. 560 nm
- D. 750 nm
Réponse
D. 750 nm — λmax = hc ÷ Eg = 1,989 × 10⁻²⁵ ÷ (1,80 × 1,60 × 10⁻¹⁹) = 691 nm : seul 750 nm dépasse ce seuil.
Des électrons ont une énergie cinétique de 0,90 eV (mₑ = 9,11 × 10⁻³¹ kg). Leur vitesse vaut :
- A. 5,62 × 10⁵ m·s⁻¹
- B. 3,98 × 10⁵ m·s⁻¹
- C. 3,16 × 10¹¹ m·s⁻¹
- D. 1,78 × 10⁻¹⁰ m·s⁻¹
Réponse
A. 5,62 × 10⁵ m·s⁻¹ — Ec = 0,90 × 1,60 × 10⁻¹⁹ = 1,44 × 10⁻¹⁹ J ; v = racine de (2Ec ÷ mₑ) = 5,62 × 10⁵ m/s. Oublier le facteur 2 donne 3,98 × 10⁵.
Niveau difficile ★★★ — 12 questions
En spectroscopie infrarouge, les photons absorbés par une molécule :
- A. font vibrer les liaisons de la molécule
- B. provoquent des transitions électroniques
- C. arrachent des électrons à la molécule
- D. brisent les noyaux de ses atomes
Réponse
A. font vibrer les liaisons de la molécule — Les photons infrarouges, moins énergétiques que ceux de l’UV-visible, font vibrer les liaisons ; les transitions électroniques demandent des photons UV ou visibles.
Un métal n’émet aucun électron sous une lumière rouge intense. Quelle modification peut déclencher l’émission ?
- A. éclairer bien plus longtemps en rouge
- B. multiplier par dix l’intensité du rouge
- C. une radiation de fréquence assez élevée
- D. un infrarouge beaucoup plus puissant
Réponse
C. une radiation de fréquence assez élevée — Il faut hν ≥ W : seule une fréquence plus élevée apporte plus d’énergie par photon. Durée et intensité ne changent pas l’énergie de chaque photon.
Un élève calcule l’énergie d’un photon de 620 nm et trouve 3,21 × 10⁻²⁸ J. Son erreur :
- A. il n’a pas converti le résultat en eV
- B. il a laissé λ en nanomètres
- C. il a pris c au lieu de la vitesse dans l’air
- D. il a confondu la fréquence et la période
Réponse
B. il a laissé λ en nanomètres — 1,989 × 10⁻²⁵ ÷ 620 = 3,21 × 10⁻²⁸ : λ n’a pas été convertie en mètres. Avec 620 × 10⁻⁹ m, on trouve 3,21 × 10⁻¹⁹ J.
Rapport entre l’énergie d’un photon X (λ = 0,10 nm) et celle d’un photon radio (λ = 1,0 m) :
- A. 10⁻¹⁰
- B. 10⁹
- C. il dépend des puissances
- D. 10¹⁰
Réponse
D. 10¹⁰ — E = hc ÷ λ, donc le rapport vaut λ(radio) ÷ λ(X) = 1,0 ÷ 1,0 × 10⁻¹⁰ = 10¹⁰. La puissance fixe le nombre de photons, pas l’énergie de chacun.
Une photodiode au silicium (gap 1,12 eV) reçoit un photon de 2,24 eV. Ce photon :
- A. libère deux électrons de 1,12 eV chacun
- B. n’est pas absorbé, car 2,24 eV ≠ 1,12 eV
- C. libère un électron qui garde ses 2,24 eV utiles
- D. libère un électron ; 1,12 eV part en chaleur
Réponse
D. libère un électron ; 1,12 eV part en chaleur — Un photon absorbé libère un seul électron ; seule l’énergie du gap est utile : l’excédent, 2,24 − 1,12 = 1,12 eV, est dissipé en énergie thermique.
L’énergie cinétique maximale des électrons extraits par effet photoélectrique dépend :
- A. de l’intensité lumineuse seulement
- B. de la fréquence et du métal
- C. de la durée de l’éclairement
- D. de l’intensité et de la fréquence
Réponse
B. de la fréquence et du métal — Ec,max = hν − W : seuls ν et W, donc le métal, interviennent.
Pour deux métaux différents, les droites Ec,max = f(ν) :
- A. se coupent sur l’axe des ordonnées
- B. ont pour pentes leurs travaux d’extraction
- C. sont parallèles, de même pente h
- D. passent toutes deux par l’origine
Réponse
C. sont parallèles, de même pente h — Ec,max = hν − W : même pente h pour tous les métaux ; ordonnées à l’origine −W différentes.
Une cellule au silicium ne convertit pas un rayonnement de 1,5 µm (0,83 eV) car :
- A. ses photons ont une énergie inférieure au gap
- B. ses photons sont beaucoup trop nombreux
- C. son éclairement est toujours trop faible
- D. il traverse la cellule trop rapidement
Réponse
A. ses photons ont une énergie inférieure au gap — Un photon n’est absorbé que si hν ≥ Eg ; 0,83 eV est inférieur au gap du silicium, 1,12 eV.
Une cellule photovoltaïque à un seul semi-conducteur ne peut pas approcher 100 % de rendement, car :
- A. la lumière solaire est trop intense pour elle
- B. des photons sont sous le gap et l’excédent est dissipé
- C. les photons ralentissent dans le silicium
- D. le courant produit est continu et non alternatif
Réponse
B. des photons sont sous le gap et l’excédent est dissipé — Les photons d’énergie inférieure au gap ne sont pas absorbés ; ceux d’énergie supérieure ne restituent que Eg, l’excédent chauffe la cellule.
Un faisceau laser vert traverse un verre d’indice 1,5. L’énergie de ses photons dans le verre :
- A. est divisée par 1,5
- B. est multipliée par 1,5
- C. est divisée par 1,5 au carré
- D. est la même que dans l’air
Réponse
D. est la même que dans l’air — La fréquence, fixée par la source, ne change pas : l’énergie hν non plus. Seules la vitesse et la longueur d’onde sont divisées par n.
Au-dessus du seuil, sous un éclairement très faible, les premiers électrons sont émis :
- A. presque immédiatement
- B. au bout de quelques minutes
- C. après plusieurs heures d’attente
- D. jamais : il faut un éclairement minimal
Réponse
A. presque immédiatement — Un seul photon suffit à libérer un électron : l’émission est immédiate, contrairement au délai prévu par le modèle ondulatoire.
Une plaque de zinc chargée positivement est éclairée par un ultraviolet efficace. Elle :
- A. se décharge rapidement, comme une plaque négative
- B. se charge négativement en captant des électrons
- C. ne se décharge pas : les électrons sont rappelés
- D. émet des protons arrachés par la lumière
Réponse
C. ne se décharge pas : les électrons sont rappelés — Les électrons arrachés sont aussitôt attirés par la plaque positive : la charge ne change pas.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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