Kleksa

Bac 2027 · spécialité physique-chimie

Photon et effet photoélectrique

Éclairer une plaque de métal avec la bonne couleur suffit à en détacher des électrons ; avec la mauvaise, rien ne se produit, si puissante que soit la lampe. Le modèle du photon, vu en terminale, en rend compte par un bilan d’énergie, qui s’étend ensuite aux niveaux d’énergie d’un atome ; la page le déroule pour les révisions du bac.

Au bac de physique-chimie : dans 7 des 35 sujets de 2024 à 2026 (questions : 23).

L’essentiel

ce qu’il faut savoir
  • La lumière échange son énergie par paquets, les photons. Pour une fréquence ν\nu, chacun est porteur d’une énergie E=E ={}hν=hcλ h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}, où hh est la constante de Planck, cc la célérité de la lumière dans le vide et λ\lambda la longueur d’onde dans le vide.
  • Un photon a une masse nulle et se déplace dans le vide à la célérité cc de la lumière. Son énergie se compte en joules ou en électronvolts, avec 1 eV=1,60⋅10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60e-19 J}.
  • Dans l’effet photoélectrique, un électron d’un métal absorbe un photon tout entier ; l’électron ne quitte le métal que si cette énergie atteint le travail d’extraction WW propre à celui-ci.
  • Le bilan d’énergie s’écrit hν=W+Ec,maxh\nu = W + E_{c,\text{max}}, où Ec,maxE_{c,\text{max}} désigne la plus grande énergie cinétique qu’un électron emporte. Elle n’est positive que pour ν≥ν0=\nu \geq \nu_0 ={}Wh \dfrac{W}{h}, ou, ce qui revient au même, pour λ≤λ0=\lambda \leq \lambda_0 ={}hcW \dfrac{hc}{W}.
  • Un atome qui passe d’un niveau d’énergie EnE_n à un niveau plus bas EmE_m émet un photon d’énergie hν=En−Emh\nu = E_n - E_m ; pour remonter, il absorbe un photon de même énergie.
  • Une photopile a pour rendement η=PdeˊlivreˊePrec¸ue\eta = \dfrac{P_{\text{délivrée}}}{P_{\text{reçue}}} : la puissance électrique qu’elle délivre, divisée par la puissance lumineuse qu’elle reçoit.

L’épreuve écrite de spécialité physique-chimie dure 210 minutes et est notée sur 20 : trois exercices indépendants, et à partir de la session 2027 deux points pour la maîtrise de la langue. Elle compte pour 80 % de la note de la spécialité ; l’évaluation des compétences expérimentales, une heure au laboratoire, pour 20 %. Le sujet dit si la calculatrice est autorisée.

Le photon : énergie, longueur d’onde, électronvolt

Dans le modèle particulaire, un rayonnement monochromatique est un flux de photons de même énergie. Chaque photon a une masse nulle, et seule la fréquence décide de son énergie : E=hνE = h\nu. Comme λν=c\lambda\nu = c dans le vide, on l’écrit aussi E=E ={}hcλ \dfrac{hc}{\lambda} : une courte longueur d’onde, vers l’ultraviolet, donne un photon plus énergétique qu’une grande, vers l’infrarouge.

Les énergies d’un photon ou d’un électron sont de l’ordre de 10−19 J\pu{e-19 J} ; on les écrit plus commodément en électronvolts, avec 1 eV=1,60⋅10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60e-19 J} (valeur arrondie des sujets ; la valeur exacte est 1,602176634⋅10−19 J\pu{1,602176634e-19 J}). Avec h=6,63⋅10−34 J ⋅ sh = \pu{6,63e-34 J.s} et c=3,00⋅108 m ⋅ s−1c = \pu{3,00e8 m.s-1}, le produit hchc vaut 1,99⋅10−25 J ⋅ m\pu{1,99e-25 J.m}, soit environ 1240 eV ⋅ nm\pu{1240 eV.nm}. Écris λ\lambda en mètres avant un calcul en joules, ou garde hchc en eV·nm quand λ\lambda est en nanomètres.

Exemple (valeurs fictives) : un photon de longueur d’onde λ=450 nm\lambda = \pu{450 nm} a une fréquence ν=cλ=6,67⋅1014 Hz\nu = \dfrac{c}{\lambda} = \pu{6,67e14 Hz} et une énergie E=hcλ=4,42⋅10−19 J=2,76 eVE = \dfrac{hc}{\lambda} = \pu{4,42e-19 J} = \pu{2,76 eV}.

Ce que l’on observe, ce que le photon explique

Quand une lumière éclaire un métal, des électrons peuvent en être émis : c’est l’effet photoélectrique, découvert par Hertz en 1887 et interprété par Einstein en 1905. Dans un tube vide, l’électrode éclairée libère des électrons que recueille l’autre électrode ; ils forment un courant, le photocourant.

Trois faits échappent à une description où la lumière ne serait qu’une onde. Les électrons sortent presque aussitôt, même sous une lumière très faible. Chaque métal a son seuil, une fréquence ν0\nu_0 : en dessous, rien n’est émis, même à forte intensité. Au-dessus, c’est la fréquence, non l’intensité, qui règle l’énergie cinétique des électrons.

Le modèle du photon rend compte de tout cela : un photon est absorbé tout entier par un seul électron, et il lui en faut assez pour l’arracher au métal, ce qui fixe la fréquence seuil. L’intensité de la lumière ne change que le nombre de photons reçus par seconde, donc le nombre d’électrons émis et le photocourant.

Ce que l’on changeCe que l’on observePourquoi
La fréquence, sous le seuilAucun électron, même à forte intensitéChaque photon a moins d’énergie que WW
La fréquence, au-dessus du seuilEc,maxE_{c,\text{max}} augmente avec ν\nuLe photon apporte hνh\nu, dont WW sert à l’extraction
L’intensité, au-dessus du seuilPlus d’électrons, même Ec,maxE_{c,\text{max}}Plus de photons, chacun de même énergie

Bilan d’énergie, seuil et énergie cinétique

Un photon d’énergie hνh\nu est absorbé par un électron du métal. Une partie de cette énergie, le travail d’extraction WW, sert à l’arracher du métal ; le reste devient énergie cinétique : hν=W+Ec,maxh\nu = W + E_{c,\text{max}}. C’est une valeur maximale, atteinte par les électrons les moins liés au métal ; les autres repartent moins vite. Le travail d’extraction dépend du métal.

Une énergie cinétique n’est jamais négative : le seuil correspond à Ec,max=0E_{c,\text{max}} = 0, donc à hν0=Wh\nu_0 = W. On en tire ν0=Wh\nu_0 = \dfrac{W}{h} et, avec λ=c/ν\lambda = c/\nu, λ0=\lambda_0 ={}hcW \dfrac{hc}{W}. Il faut ν≥ν0\nu \geq \nu_0, c’est-à-dire λ≤λ0\lambda \leq \lambda_0. Si l’on trace Ec,maxE_{c,\text{max}} en fonction de ν\nu, on obtient une droite de pente hh qui coupe l’axe des abscisses en ν0\nu_0.

Prends un métal fictif de travail d’extraction W=2,0 eVW = \pu{2,0 eV} (valeurs fictives). Son seuil est ν0=Wh=4,83⋅1014 Hz\nu_0 = \dfrac{W}{h} = \pu{4,83e14 Hz}, soit λ0=hcW=622 nm\lambda_0 = \dfrac{hc}{W} = \pu{622 nm}. Éclairé à λ=450 nm\lambda = \pu{450 nm}, par des photons de 2,76 eV\pu{2,76 eV}, il émet des électrons dont l’énergie cinétique maximale vaut 2,76−2,0=0,76 eV2{,}76 - 2{,}0 = \pu{0,76 eV}. À λ=700 nm\lambda = \pu{700 nm}, le photon n’a que 1,78 eV\pu{1,78 eV}, un peu moins que WW : rien n’est émis, même avec une lampe très puissante.

369−2−1120νEc,max (eV)ν en 10¹⁴ Hzν₀−W

Niveaux d’énergie, photons émis ou absorbés, photopiles

Un atome n’a que certains niveaux d’énergie EnE_n. En passant d’un niveau EnE_n à un niveau inférieur EmE_m, il émet un photon d’énergie hν=En−Emh\nu = E_n - E_m ; pour remonter de EmE_m à EnE_n, il absorbe un photon de même énergie. Pour l’atome d’hydrogène, les niveaux valent En=−13,6 eVn2E_n = -\dfrac{\pu{13,6 eV}}{n^2}.

Le schéma montre le passage de n=4n = 4 à n=2n = 2 : le photon émis emporte E4−E2=2,55 eVE_4 - E_2 = \pu{2,55 eV}, ce qui correspond à λ=hcE≈488 nm\lambda = \dfrac{hc}{E} \approx \pu{488 nm} avec les valeurs arrondies de hh, cc et de l’électronvolt ; la raie bleu-vert mesurée pour cette transition est à 486 nm\pu{486 nm}.

Une cellule photovoltaïque, ou photopile, utilise un effet voisin sans arracher l’électron au matériau : un photon assez énergétique est absorbé par un semi-conducteur et crée une paire électron-trou ; le champ électrique de la jonction sépare ces charges, et un courant circule dans le circuit extérieur. Son rendement compare ce qu’elle délivre à ce qu’elle reçoit, en puissance : une cellule fictive qui reçoit 1000 W\pu{1000 W} et délivre 150 W\pu{150 W} a η=1501000=\eta = \dfrac{150}{1000} ={}0,15 0{,}15. Le programme cite aussi, parmi les applications de l’interaction photon-matière, les diodes électroluminescentes, les capteurs de lumière et les spectroscopies UV-visible et IR.

En → ∞0n = 4−0,85 eVn = 3−1,51 eVn = 2−3,40 eVhν

Les mots du programme

photon
Quantum d’énergie de la lumière, de masse nulle ; son énergie est E=E ={}hν=hcλ h\nu = \dfrac{hc}{\lambda}.
électronvolt
Unité d’énergie : celle que gagne une charge élémentaire accélérée par 1 V\pu{1 V}, soit e×1 Ve \times \pu{1 V}, avec e=1,602176634⋅10−19 Ce = \pu{1,602176634e-19 C}.
effet photoélectrique
Libération d’électrons par un métal que l’on éclaire, quand la fréquence du rayonnement dépasse le seuil de ce métal.
travail d’extraction
Énergie minimale WW à fournir à un électron pour l’arracher à un métal ; elle dépend du métal.
fréquence seuil
Fréquence ν0=Wh\nu_0 = \dfrac{W}{h} sous laquelle aucun électron n’est émis, même si la lumière est très intense.
niveau d’énergie
Valeur que peut prendre l’énergie d’un atome ; il émet ou absorbe un photon en passant d’un niveau à un autre.
rendement d’une photopile
Quotient η\eta de la puissance électrique qu’elle délivre par la puissance lumineuse qu’elle reçoit.

Une question du sujet

source : éduscol
Une vraie question d’un sujet du bac, mot pour mot, avec les lignes de l’exercice dont elle a besoin. Cherche-la avant de lire le corrigé.
Question d’un sujetbac

Bac 2026, Amérique du Nord, jour 1 — exercice 2, question 1

Exercice 2 — L’effet photoélectrique et ses applications — 1. Une approche historique de l’effet photoélectrique

Figure 1 – Schéma de l’expérience · Ministère de l’Éducation nationale – éduscol
En 1902, le physicien allemand Lenard a travaillé sur l’effet photoélectrique en réalisant l’expérience suivante : deux électrodes métalliques, séparées d’une distance dd, sont placées face à face dans un tube à vide. Une des deux électrodes est éclairée par des radiations lumineuses de fréquence et d’intensité réglables. Le physicien observe une intensité non nulle au-dessus d’une certaine fréquence appelée fréquence seuil. […]

Question 1

Q.1. Décrire l’effet photoélectrique.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Amérique du Nord, jour 1, exercice 2, question 1 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Question d’un sujetbac

Bac 2026, Polynésie, jour 1 — exercice 2, question 2

Exercice 2 — La scintigraphie cardiaque

[…] Le X80201X2802201HgX∗\ce{^{201}_{80}Hg^{*}} se désexcite très rapidement en émettant un photon γ\gamma d’énergie EE égale à 135 keV\pu{135 keV}. Données : • célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108 m ⋅ s−1c = \pu{3,00 \times 10^{8} m.s-1} ; • constante de Planck : h=6,63×10−34 J ⋅ sh = \pu{6,63 \times 10^{-34} J.s} ; • électronvolt : 1 eV=1,60×10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60 \times 10^{-19} J} ; • relation entre l’énergie et la longueur d’onde dans le vide λv\lambda_v : E=E ={}hcλv \dfrac{hc}{\lambda_v} ; […]

Question 2

Q2. À l’aide des données, exprimer puis calculer la longueur d’onde λv\lambda_v de ce rayonnement d’énergie EE dans le vide.

Source : ministère de l’Éducation nationale – éduscol, bac 2026, spécialité physique-chimie, Polynésie, jour 1, exercice 2, question 2 (Licence Ouverte / etalab-2.0). Corrigé : Kleksa (non officiel). · Le sujet sur éduscol

Dans les sujets

compté par sujet
Les sujets de 2024 à 2026 qui ont posé une question sur cette notion : dans 7 des 35 sujets, sans compter les sujets de remplacement et de secours.
SujetQuestions
Bac 2026, Amérique du Nord, jour 12.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9
Bac 2026, Centres étrangers, jour 11.9, 1.10
Bac 2026, Centres étrangers, jour 21.10
Bac 2026, Polynésie, jour 12.2, 2.3
Bac 2025, Amérique du Sud, jour 22.8
Bac 2025, Centres étrangers, jour 12.1, 2.2
Bac 2025, Nouvelle-Calédonie, jour 23.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6

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bac

Question 1. (0–1)

On éclaire une plaque de cuivre avec un rayonnement monochromatique de longueur d’onde λ=153 nm\lambda = \pu{153 nm} : des électrons sont extraits du métal. Données : • constante de Planck : h=6,63×10−34 J ⋅ sh = \pu{6,63 \times 10^{-34} J.s} ; • célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108 m ⋅ s−1c = \pu{3,00 \times 10^{8} m.s-1} ; • 1 eV=1,60×10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60 \times 10^{-19} J} ; • travail d’extraction du cuivre : W=4,65 eVW = \pu{4,65 eV} ; • bilan d’énergie : l’énergie cinétique maximale d’un électron extrait est Ec,max=E_{c,\text{max}} ={}hcλ−W \dfrac{h c}{\lambda} - W. Calculer l’énergie cinétique maximale Ec,maxE_{c,\text{max}} d’un électron extrait, en eV. Donner le résultat avec deux chiffres significatifs.
eV

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 2. (0–1)

Un rayonnement monochromatique émis par une diode électroluminescente a une longueur d’onde dans le vide λ=542 nm\lambda = \pu{542 nm}. Données : • constante de Planck : h=6,63×10−34 J ⋅ sh = \pu{6,63 \times 10^{-34} J.s} ; • célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108 m ⋅ s−1c = \pu{3,00 \times 10^{8} m.s-1} ; • 1 eV=1,60×10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60 \times 10^{-19} J} ; • énergie d’un photon : E=E ={}hcλ \dfrac{h c}{\lambda}. Calculer l’énergie EE d’un photon de ce rayonnement, en eV. Donner le résultat avec deux chiffres significatifs.
eV

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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bac

Question 3. (0–1)

L’atome d’hydrogène passe du niveau d’énergie E5=−0,544 eVE_5 = \pu{-0,544 eV} au niveau d’énergie E2=−3,40 eVE_2 = \pu{-3,40 eV} en émettant un photon. Données : • constante de Planck : h=6,63×10−34 J ⋅ sh = \pu{6,63 \times 10^{-34} J.s} ; • célérité de la lumière dans le vide : c=3,00×108 m ⋅ s−1c = \pu{3,00 \times 10^{8} m.s-1} ; • 1 eV=1,60×10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60 \times 10^{-19} J} ; • l’énergie du photon émis est égale à la diminution de l’énergie de l’atome. Calculer la longueur d’onde λ\lambda du rayonnement émis, en nm. Donner le résultat avec trois chiffres significatifs.
nm

Saisis uniquement le nombre, avec une virgule comme séparateur décimal.

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Les erreurs fréquentes

là où on perd des points
  • Mélanger les unités dans E=E ={}hcλ \dfrac{hc}{\lambda}. Avec hh en joules-secondes et cc en mètres par seconde, il faut λ\lambda en mètres, et EE sort en joules ; on passe aux électronvolts à la fin, en divisant par 1,60⋅10−19 J\pu{1,60e-19 J}.
  • Penser qu’une lampe plus puissante rattrape une fréquence trop basse. Chaque photon agit seul sur un électron : sous le seuil, aucun n’a assez d’énergie, et en envoyer davantage n’y change rien.
  • Confondre hνh\nu et Ec,maxE_{c,\text{max}}. Le photon apporte hνh\nu ; le travail d’extraction WW en prend une part, et seul le reste devient énergie cinétique.
  • Écrire que tous les électrons émis ont l’énergie Ec,maxE_{c,\text{max}}. C’est la valeur maximale ; les électrons plus liés au métal repartent avec moins.
  • Inverser le sens de l’inégalité sur la longueur d’onde. Le seuil est une longueur d’onde maximale : l’effet a lieu pour λ≤λ0\lambda \leq \lambda_0, pas au-delà.

À retenir

  • Photon de masse nulle, d’énergie E=E ={}hν=hcλ h\nu = \dfrac{hc}{\lambda} ; 1 eV=1,60⋅10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60e-19 J}.
  • Bilan : hν=W+Ec,maxh\nu = W + E_{c,\text{max}}, avec émission seulement si ν≥ν0=\nu \geq \nu_0 ={}Wh \dfrac{W}{h}, soit λ≤λ0=\lambda \leq \lambda_0 ={}hcW \dfrac{hc}{W}.
  • L’intensité de la lumière fixe le nombre d’électrons émis, pas leur énergie cinétique.
  • Émission ou absorption par un atome : hν=∣En−Em∣h\nu = |E_n - E_m|.
  • Photopile : η=PdeˊlivreˊePrec¸ue\eta = \dfrac{P_{\text{délivrée}}}{P_{\text{reçue}}}.

Questions fréquentes

  1. 1.Que change l’intensité de la lumière dans l’effet photoélectrique ?+
    Réponse :Elle fixe le nombre de photons reçus par seconde, donc le nombre d’électrons émis et l’intensité du photocourant. Elle laisse intactes l’énergie d’un photon, dont seule la fréquence décide, et la plus grande énergie cinétique des électrons émis.
  2. 2.Pourquoi exprimer des énergies en électronvolts ?+
    Réponse :Les énergies d’un photon ou d’un électron sont de l’ordre de 10−19 J\pu{e-19 J}, un nombre peu commode. En électronvolts, elles s’écrivent avec des nombres voisins de l’unité, comme les travaux d’extraction des métaux ; la conversion est 1 eV=1,60⋅10−19 J\pu{1 eV} = \pu{1,60e-19 J}.
  3. 3.Effet photoélectrique et effet photovoltaïque : deux noms pour un même phénomène ?+
    Réponse :Les deux transforment de la lumière en charges mobiles, mais pas de la même façon. Dans l’effet photoélectrique, un photon éjecte un électron hors d’un métal. Dans une photopile, un photon est absorbé dans un semi-conducteur et crée une paire électron-trou, que le champ de la jonction sépare.
  4. 4.Comment passer de la fréquence seuil à la longueur d’onde seuil ?+
    Réponse :Avec λ=cν\lambda = \dfrac{c}{\nu}. Plus la fréquence seuil est grande, plus la longueur d’onde seuil est petite : les métaux dont le travail d’extraction est élevé ne répondent qu’aux ultraviolets, c’est-à-dire aux courtes longueurs d’onde.
  5. 5.Un photon a-t-il une masse ?+
    Réponse :Non : le photon est une particule de masse nulle. Il porte pourtant de l’énergie, E=hνE = h\nu, ainsi qu’une quantité de mouvement, comme le montrent les collisions entre des photons et des électrons.

Voir aussi

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Notion suivante du programme : Condensateur et circuit RC

Sources

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