SI physique : lumière et matière

Un photon est un quantum du champ électromagnétique. Il possède une énergie E = hf, où f est la fréquence et h la constante de Planck, environ 6,626 × 10⁻³⁴ J·s. Dans le vide, f = c/λ, donc E = hc/λ. Sa masse au repos est nulle et il se déplace dans le vide à la célérité c. Cette masse nulle n’implique pas une énergie nulle. On ne décrit pas un photon au repos ni un rayon lumineux comme un petit objet massif suivant toutes les lois de la mécanique classique.

Pour les échanges à l’échelle atomique, on utilise souvent l’électronvolt : 1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ J. Cette unité est une énergie et non une tension. Une lumière de fréquence plus élevée transporte davantage d’énergie par photon. En revanche, augmenter la puissance d’une lumière monochromatique augmente surtout le nombre de photons reçus par seconde, sans changer l’énergie individuelle si la fréquence reste fixe. Il faut donc séparer couleur, énergie d’un photon et puissance totale.

L’effet photoélectrique externe est l’émission d’électrons par un matériau éclairé. Dans le modèle étudié, un photon peut transmettre son énergie à un électron. Une énergie minimale, le travail d’extraction Wext, est nécessaire pour libérer un électron du matériau. Le bilan pour l’électron le plus énergétique est Ec,max = hf − Wext. Cette relation n’a de sens pour une émission que si hf est au moins égal au travail d’extraction. Une énergie cinétique négative n’est pas un résultat physique : elle signale l’absence d’émission dans ce modèle.

La fréquence seuil est f₀ = Wext/h. Pour f < f₀, augmenter l’intensité lumineuse ne suffit pas à provoquer l’émission dans le régime usuel à un photon. Au-dessus du seuil, augmenter la fréquence augmente l’énergie cinétique maximale ; augmenter le flux de photons peut augmenter le nombre d’électrons émis, sans augmenter cette énergie maximale. Tous les électrons émis n’ont pas nécessairement la même énergie, car leur situation initiale et leurs interactions dans le matériau diffèrent.

Ce seuil et la dépendance de l’énergie des électrons à la fréquence ont joué un rôle historique dans la construction du modèle quantique de la lumière. Une description purement classique par une énergie déposée continûment ne rendait pas compte simplement de ces observations. L’interprétation proposée par Einstein en 1905 associe l’énergie lumineuse à des quanta. Le modèle photonique ne supprime pas les propriétés ondulatoires : les descriptions mobilisées dépendent de l’expérience et de la grandeur que l’on cherche à expliquer.

Dans un atome, certaines énergies sont quantifiées. Une absorption peut faire passer le système d’un niveau d’énergie inférieur Ebas à un niveau supérieur Ehaut si l’énergie du photon correspond à l’écart : hf = Ehaut − Ebas. Lors d’une émission, le système perd cette énergie et un photon est émis. La différence se calcule en valeur positive pour l’énergie du photon. Les niveaux eux-mêmes peuvent être repérés par des valeurs négatives : cela ne rend pas négative l’énergie échangée.

Un spectre d’absorption ou d’émission renseigne ainsi sur les transitions possibles. En spectroscopie, on relie les fréquences observées à des interactions avec la matière ; toutes les applications ne se réduisent pas au même modèle atomique simple. Les molécules présentent notamment des transitions associées à leurs vibrations. Une diode électroluminescente convertit une partie de l’énergie électrique en rayonnement ; des charges se recombinent dans un semi-conducteur. Son rendement n’est pas nécessairement égal à un et son émission n’est pas expliquée par une résistance simplement portée au rouge.

Dans une cellule photoélectrique à émission externe, l’éclairement d’une électrode peut libérer des électrons recueillis par une autre électrode, ce qui permet de détecter la lumière. Une cellule photovoltaïque usuelle fonctionne dans un semi-conducteur : l’absorption crée des porteurs mobiles et la structure du dispositif favorise leur séparation et leur collecte. Il faut distinguer cette conversion interne de l’arrachement d’électrons dans le vide. Dans les deux cas, la lumière peut commander une réponse électrique, mais les mécanismes précis diffèrent.

Le rendement η rapporte une puissance utile à une puissance reçue : η = Pélec/Plum. Si un éclairement énergétique uniforme G, en W·m⁻², arrive sur une surface active S perpendiculaire au faisceau, Plum = GS. Au point de fonctionnement choisi, Pélec = UI. Le rendement est sans unité ; pour l’exprimer en pourcentage, on multiplie par cent. Une tension à vide ne suffit pas à calculer la puissance utile, puisque le courant est alors nul. Le produit d’une tension à vide par un courant de court-circuit ne représente pas un point de fonctionnement réel unique.

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