Spé. Physique-Chimie · Terminale · cours rédigé et vérifié par Claryo, conforme au Bulletin officiel
La description ondulatoire (interférences, diffraction) ne suffit pas à expliquer toutes les propriétés de la lumière. Certains phénomènes, comme l'effet photoélectrique, imposent une vision corpusculaire : la lumière est un flux de photons, particules de masse nulle transportant chacune un quantum d'énergie E = hf. C'est la dualité onde-corpuscule : selon l'expérience, l'un ou l'autre aspect se manifeste.
L'énergie d'un photon est proportionnelle à la fréquence de la radiation, donc inversement proportionnelle à sa longueur d'onde. Un photon bleu est plus énergétique qu'un photon rouge. On exprime souvent ces énergies en électronvolts, mieux adaptés à l'échelle atomique.
Cette description s'articule avec la quantification de l'énergie des atomes. Un atome ne peut posséder que certaines énergies discrètes, ses niveaux d'énergie, dont le plus bas est l'état fondamental. Lorsqu'il interagit avec la lumière, il ne peut absorber ou émettre qu'un photon dont l'énergie est exactement égale à l'écart entre deux niveaux. C'est ce qui explique les spectres de raies : chaque raie correspond à une transition, donc à une longueur d'onde caractéristique de l'élément.
L'effet photoélectrique illustre la nature corpusculaire : un métal éclairé n'émet des électrons que si l'énergie de chaque photon dépasse un seuil, le travail d'extraction W. Augmenter l'intensité (donc le nombre de photons) ne change rien si chaque photon est trop peu énergétique : c'est l'énergie individuelle qui compte.
Énergie d'un photon : E = hf = \dfrac{hc}{\lambda}, h = 6{,}63\times 10^{-34}\ \text{J·s}, 1\ \text{eV} = 1{,}60\times 10^{-19}\ \text{J}.
Transition atomique : \Delta E = E_{haut} - E_{bas} = \dfrac{hc}{\lambda}.
Nombre de photons par seconde dans un faisceau : N = \dfrac{P}{E}.
Effet photoélectrique : hf \ge W, longueur d'onde seuil \lambda_s = \dfrac{hc}{W}, énergie cinétique des électrons E_c = hf - W.
Schéma type : diagramme de niveaux d'énergie (traits horizontaux), flèche montante pour l'absorption, descendante pour l'émission, accompagnée d'un photon hf.
Pour une transition, on calcule l'écart \Delta E entre niveaux (en eV, puis en J), puis \lambda = hc/\Delta E. Le sens (émission ou absorption) se lit sur le signe : descente vers un niveau plus bas signifie émission. Pour un flux, on divise la puissance par l'énergie d'un photon pour obtenir le débit de photons. Pour l'effet photoélectrique, on compare \lambda à \lambda_s ou hf à W, puis on applique le bilan E_c = hf - W.
Bien tenir les unités : convertir les eV en joules avant tout calcul de longueur d'onde. Attention au sens : une longueur d'onde plus courte signifie un photon plus énergétique. Pour l'effet photoélectrique, retenir que \lambda \le \lambda_s (et non l'inverse) déclenche l'effet. Ne pas confondre énergie d'un photon et énergie totale du faisceau.
Maîtrise E = hc/\lambda et la conversion eV/joule. Sache lire et exploiter un diagramme de niveaux d'énergie, et relier transitions et raies spectrales. Comprends que l'effet photoélectrique est l'argument-clé de la nature corpusculaire. Énonce clairement la dualité onde-corpuscule : c'est une conclusion attendue.