Quelques expériences de plus sur l`effet photo

Quelques expériences de plus
sur l'effet photo-électrique *
La leçon des classes de terminales C, D, E relative à l'effet
photo-électrique débute par l'expérience historique de l'émission
d'électrons par une plaque de zinc fixée au corps d'un électroscope chargé négativement, et éclairée par une source de rayons
ultraviolets.
Si les manuels soulignent que le phénomène n'est pas observable lorsque l'électroscope est chargé positivement, ils ne donnent
pas tous une explication et cela est, à notre avis, une lacune. Le
lecteur serait fondé à penser que l'&mission photo-électronique est
supprimée par la présence d'une charge positive à la surface du
zinc. L'examen d'une caractéristique de cellule photo-électrique
fournit l'explication : il y a émission de photo-électrons mais ces
derniers, soumis au champ électrique de la plaque de zinc, sont
attirés par elle.
Les expériences supplémentaires que nous proposons montrent
que si I'électroscope est chargé positivement, la plaque de zinc
peut quand même émettre des électrons (et la charge de l'électroscope reste positive mais augmente en valeur absolue) et que,
si l'électroscope est chargé négativement, la plaque de zinc peut
être mise dans l'impossibilité d'émettre des électrons.
Nous avons utilisé un électroscope à aiguille pivotante (aussi
appelé électroscope à lame mobile) d'un type très répandu dans
les lycées actuellement, une plaque de zinc de 10 cm sur 20 cm
environ que nous décapons avec de la toile émeri au moment de
réaliser les expériences, un bâton de verre et de la laine, un
bâton d'ébonite et une peau de chat, une lampe à vapeur de
mercure (dont l'emploi est beaucoup plus commode que celui
d'un arc électrique).
(*) N.D.L.R. : Les expériences décrites méritent de retenir I'attention; mais leur interprétation implique une certaine familiarité avec
les phénomènes d'influence électrostatique, ce qui n'est pas le cas de
la majorité des élèves d'une classe de terminale.
1. Emission photo-électronique d'une plaque de zinc portée par un
électroscope chargé positivement.
Chargeons positivement et modérément l'électroscope (fig. 1a).
Approchons de la plaque de zinc, à moins de 10 cm, un bâton de
verre porteur de charges positives, placé sur un support (fig. 1 b ) .
Fig. 1 b )
Fig. 1 a )
Les effets de l'influence du bâton de verre sont schéniatisés
sur la fig. 1 b ) . Soulignons que la charge globale de l'électroscope
n'a pas été modifiée et que l'aiguille de l'électroscope a tourné
dans le sens tendant à la rendre horizontale. Eclairons maintenant la plaque de zinc avec la lumière ultraviolette. L'aiguille
tourne alors de nouveau et s'approche de l'horizontalité. Eloignons le bâton de verre : l'aiguille demeure très sensiblement dans
la position acquise après l'illumination ultraviolette. La charge
de l'ensemble est positive mais sa valeur absolue est supérieure
à celle qu'il possédait initialement (fig. 1 c ) .
Fig. 1 c )
II. Blocage de l'émission photo-électronique d'une plaque de zinc portée par un Blectroscope chargé négativement.
Chargeons négativement l'électroscope (fig. 2 a).
Fig. 2 a)
Fig. 2 b )
Approchons de la plaque de zinc un bâton d'ébonite fortement
chargé négativement, placé sur un support.
La fig. 2 b) montre l'influence du bâton d'ébonite. Projetons
maintenant le faisceau UV sur la plaque de zinc. Nous n'observons pas de modification de la position de l'aiguille. Cela ne
surprend pas puisque nous avons, d'une certaine manière, reproduit l'expérience négative traditionnelle.
III. Généralisation.
Il ressort des expériences précédentes que ce qui est essentiel dans la manifestation de l'effet photo-électrique dans l'air
n'est pas le signe de la charge portée par l'ensemble conducteur
(plaque de zinc + électroscope), mais le signe de la charge localisée sur la surface émissive.
Cela est confirmé par les expériences schématisées ci-après
(fig. 3 a et 3 b). Dans les deux cas, la plaque de zinc initialement
neutre prend une charge positive après quelques dizaines de
secondes d'irradiation ultraviolette.
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BULLETIN DE L'UNION DES PHYSICIENS
Fig. 3 a )
Fig. 3 b)
Si, toutes choses égales d'ailleurs, les bâtons d'ébonite et de
verre sont intervertis, la plaque de zinc reste neutre.
IV. Conclusion.
Les expériences que nous décrivons précisent les conditions
dans lesquelles l'effet photo-électrique se manifeste ou ne se manifeste pas. En outre, elles permettent de souligner a quel point
l'environnement électrique du phénomène étudié est important.
Dans !le cas des expériences traditionnelles, cet environnement
électrique a été oublié et pourtant il est de taille : c'est la Terre,
dont le rôle n'est pas nul. C'est elle, en effet, qui recueille les
photo-électrons, sauf dans les expériences schématisées sur les
figures 1 b et 3 b.
F. PENIN,
J.-C. FORNETTI,
D. VATIN,
(Lvcée de Romorantirz).