Photon unique & effet photoélectrique

[curiossss]

Bonjour.

Quelqu'un saurait me dire si on a refait des expériences sur l'effet photo électrique en bombardant la plaque métallique avec un photon unique à la fois ? Et quelles sont les probabilités d'éjection d'un électron dans ce cas ? Ejection systématique ? Probabilités d'éjection suivant une distribution Normale (courbe en cloche) ? Autre ?

Le but de ma question est de savoir si malgré l'agitation des électrons préalable à l'émission des photons on pourrait obtenir une éjection d'électron presque systématique.
(en mécanique classique, par exemple avec une balançoire, si une impulsion arrive au mauvais moment elle peut freiner plutôt que d'accélérer. On n'est pas en mécanique classique mais quand même ce serait intéressant de voir ce qui se passe entre les photons et les électrons qui ont tous deux des comportements d'onde).

J'ai bien compris que pour l'effet photoélectrique c'est bien de l'absorption d'un photon unique dont il s'agit, puisque l'augmentation de l'intensité du rayon lumineux (augmentation du nombre de photons) fait augmenter le nombre d'électrons éjectés, mais ne permet pas d'abaisser le seuil d'énergie nécessaire à chaque photon pour participer au processus (les énergies des différents photons ne s'additionnent pas pour éjecter un électron).
Donc puisque c'est bien l'absorption d'un photon unique qui provoque l'éjection des électrons quel intérêt à envoyer les photons un par un pour voir ce qui se passe ? La réponse est : justement, voyons ce qui se passe...
Et je me demande si l'expérience a déjà été faite...?


Note :
On peut encore se poser maintes questions :
Un photon qui arrive près d'une multitude d'électrons va interagir plus facilement avec certains électrons en fonction de critères de phase etc... donc ce serait comme s'il 'choisissait' son électron et donc le taux d'éjection serait plus élevé ?
Ou bien un photon aurait le temps de "s'accorder" d'une façon ou d'une autre avec l'électron cible avant l'interaction et donc de faciliter son éjection ?
Etc...
Compter le nombre d'interactions efficaces pourrait donc être utile.
Comme le comportement des photons est flou (c'est le cas de le dire !) toute expérience peut apporter un peu d'eau au moulin.

PS : Pour cette expérience on est obligés de savoir exactement combien de photons ont été émis, donc il faudrait travailler à partir de paires de photons corrélés, dont un servirait à éjecter des électrons, et l'autre à impacter un détecteur de photons.
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[Deedee81]

Salut,

Quelqu'un saurait me dire si on a refait des expériences sur l'effet photo électrique en bombardant la plaque métallique avec un photon unique à la fois ? Et quelles sont les probabilités d'éjection d'un électron dans ce cas ? Ejection systématique ? Probabilités d'éjection suivant une distribution Normale (courbe en cloche) ? Autre ?

Avec les semi-conducteurs oui, c'est une certitude. Mais ce n'est pas de l'effet photoélectrique stricto sensus. Pour ce dernier, je ne sais pas.

Et je ne saurais pas répondre sur la probabilité d'éjection (j'aurais tendance à dire proche de 100 % sauf réflexion, mais c'est intuitif ça, faut le confirmer).
Pour les "maintes questions".... j'ai même pas compris les questions ????

Bon je répondais parce que je trouve le sujet passionnant Voyons s'il y en a qui connaissent mieux que moi

[un_copain]

Salut,

Ejection systématique ?

J'aurais tendance à dire oui, si le photon est absorbé, alors il transmet l’entièreté de son énergie à l'électron. Si cette énergie est suffisante (càd supérieure ou égale au travail d'extraction), l'électron n'a pas d'autre choix que d'être éjecté...

par exemple avec une balançoire, si une impulsion arrive au mauvais moment elle peut freiner plutôt que d'accélérer

Oui tout à fait, c'est assez rigolo les parallèles qu'on peut tracer entre les systèmes mécaniques et les objets quantiques (en terme d'oscillateurs en particulier).
Dans le cadre d'un atome (qui vibre thermiquement), nous pouvons le ralentir (et donc le refroidir) en lui envoyant des photons ayant une énergie légèrement plus faible qu'une transition électronique (ce qui reviendrait à envoyer une impulsion "au mauvais moment" pour un système mécanique).
Au niveau de l'explication quantique, les mouvements de l'atome engendrent un effet Doppler, qui permet alors à l'atome d'absorber le photon incident, mais de perdre de sa vitesse de déplacement - il refroidit.

les énergies des différents photons ne s'additionnent pas pour éjecter un électron

mmh, il existe l'absorption à deux photons, où les énergies de 2 photons peuvent s'additionner pour pouvoir atteindre un état excité (via un état virtuel). Cela dit, il me semble que ça ne concerne que les molécules, et ça ne me dit rien pour l'effet photoélectrique, mais sait-on-jamais...

[jiherve]

bonsoir
le photon unique c'est le cas d'usage de nombreux photomultiplicateurs en physique et comme déjà écrit ailleurs c'est régit par une loi de Poisson.
https://www.optonlaser.com/fr/produi...hotons-uniques
JR

[A voir en vidéo sur Futura]

[curiossss]

mmh, il existe l'absorption à deux photons, où les énergies de 2 photons peuvent s'additionner pour pouvoir atteindre un état excité (via un état virtuel). Cela dit, il me semble que ça ne concerne que les molécules, et ça ne me dit rien pour l'effet photoélectrique, mais sait-on-jamais...

Si mes souvenirs sont bons dans l'étude de l'effet photoélectrique une des constatations était qu'il y a un seuil d'énergie nécessaire au photon pour expulser un électron de son orbite, donc une fréquence minimum. Et que bombarder l'électron avec plusieurs photons ayant chacun une énergie juste en dessous de ce seuil ne permet pas de l'expulser de son niveau d'énergie.

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Il me parait logique (mais va savoir...) qu'en plus d'avoir l'énergie nécessaire le photon doive arriver avec la bonne phase vis-à-vis de l'électron.
La curiosité sous-jacente à ma question est la suivante : à l'approche de l'électron le photon va-t-il être influencé (et vice-versa) de telle sorte que la probabilité d'expulsion de l'électron soit différente de celle qu'elle serait s'il n'y avait absolument aucune influence mutuelle avant l'absorption du photon par l'électron ?

Il faudrait envoyer les photons avec de moins en moins (mais au dessus du seuil) d'énergie pour qu'ils puissent expulser l'électron. On réduirait ainsi progressivement la fenêtre temporelle (l'intervalle de phase utile) pour laquelle l'énergie du photon est suffisante. Si par hasard on constate que le taux d'électrons expulsés ne varie pas, alors c'est qu'il y a eu une influence mutuelle entre photon et électron avant l'interaction (ou bien la phase n'a aucune importance et je ne comprends pas...). Et là ce serait un résultat intéressant !

C'est subtil et peut-être très difficile à réaliser. Mais je fais confiance à l'ingéniosité de nos scientifiques pour aller fouiller les poches de nos particules
Peut-être que ces expériences ont déjà été faites ?

[Deedee81]

Si mes souvenirs sont bons dans l'étude de l'effet photoélectrique une des constatations était qu'il y a un seuil d'énergie nécessaire au photon pour expulser un électron de son orbite, donc une fréquence minimum. Et que bombarder l'électron avec plusieurs photons ayant chacun une énergie juste en dessous de ce seuil ne permet pas de l'expulser de son niveau d'énergie.

J'hésitais à répondre. Ce ne sont pas plutôt des électrons de conductions ? (et donc pas "en orbite") Et on a une bande de conduction d'une certaine largeur.
Je vérifie.
EDIT le gap est facile à trouver mais pas la largeur de bande, si quelqu'un à ça ? Visuellement ça doit être seulement 2 ou 3 eV ce qui est vraiment peu (versus l'énergie des UV), mais ça reste à confirmer.

[un_copain]

J'hésitais à répondre. Ce ne sont pas plutôt des électrons de conductions ?

Tout les électrons peuvent subir un effet photoélectrique, mais pas au même coût énergétique. (Il va falloir tirer plus fort sur les électrons de cœur pour les extraire)
L'énergie minimale pour extraire un électron est appelée le travail d'extraction (work function pour ceux qui se documentent en anglais), qui est la différence entre le niveau de vide et le niveau de Fermi dans les diagrammes de bandes.
Au delà de cette énergie minimale, l'électron éjecté conserve l'excédant d'énergie sous forme d'énergie cinétique.

Si mes souvenirs sont bons dans l'étude de l'effet photoélectrique une des constatations était qu'il y a un seuil d'énergie nécessaire au photon pour expulser un électron de son orbite, donc une fréquence minimum. Et que bombarder l'électron avec plusieurs photons ayant chacun une énergie juste en dessous de ce seuil ne permet pas de l'expulser de son niveau d'énergie.

Oui tout à fait, après vérification, je ne trouve rien du tout sur un effet d'absorption à 2 photons dans le cadre d'un effet photoélectrique, donc on peut oublier ma remarque je pense.
EDIT : on en apprend tout les jours https://en.wikipedia.org/wiki/Two-ph...voltaic_effect

J'ai du mal à voir l'importance de la phase du photon, ou celle de l'électron par contre.

Il faudrait envoyer les photons avec de moins en moins (mais au dessus du seuil) d'énergie pour qu'ils puissent expulser l'électron.[...]Si par hasard on constate que le taux d'électrons expulsés ne varie pas...

À partir du moment où l'énergie du photon est au delà du seuil, nous aurons expulsion d'électron. Augmenter l'énergie du photon, c'est fournir plus d'énergie cinétique à l'électron expulsé.

[curiossss]

J'ai du mal à voir l'importance de la phase du photon

Je m'étais dit qu'avec juste l'énergie de Seuil la fréquence du photon et de l'électron dans son orbite devaient être assez proches (car au delà de cette énergie de seuil le photon a une longueur d'onde trop longue et ne peut plus interférer avec l'électron)

[curiossss]

Edit : il faut lire :
(car en deça de cette énergie de seuil le photon a une longueur d'onde trop longue et ne peut plus interférer avec l'électron)

[Deedee81]

EDIT : on en apprend tout les jours https://en.wikipedia.org/wiki/Two-ph...voltaic_effect

Ah oui, merci un_copain. Et ce n'est d'ailleurs pas comme je l'imaginais (ici il y a une bande intermédiaire).

[un_copain]

en deça de cette énergie de seuil le photon a une longueur d'onde trop longue et ne peut plus interférer avec l'électron

Si l'énergie du photon est en deçà du seuil, alors aucun électron ne sera éjecté, c'est vrai.
Par contre le photon peut tout à fait être absorbé par un électron, qui passe alors dans un état excité (toujours lié à l'atome).

[Deedee81]

SAlut,

Si l'énergie du photon est en deçà du seuil, alors aucun électron ne sera éjecté, c'est vrai.
Par contre le photon peut tout à fait être absorbé par un électron, qui passe alors dans un état excité (toujours lié à l'atome).

Il passe alors de la bande de valence à la bande de conduction si j'ai bien compris (il est vrai que le gap est faible pour des conducteurs) ?

[un_copain]

En règle générale, l'effet photoélectrique s'applique à tout élément, pas uniquement les métaux.
En pratique effectivement, les métaux sont sympas car lorsqu'un électron est éjecté, il est aussitôt remplacé par un autre électron libre.
Pour un matériau non conducteur, les électrons éjectés ne sont pas remplacés, et les charges positives s'accumulent, et constituent alors une barrière de potentiel qui s'oppose à l'extraction de prochains électrons, ce sont donc des matériaux moins utilisés.
Mais en soit tout matériau peut subir un effet photoélectrique.

En ce qui concerne la théorie des bandes, les conducteurs n'ont pas de gap du tout, le niveau de Fermi se trouve dans une bande d’états disponibles.
Les matériaux qui ont un gap franchissable, entre bande de conduction et bande de valence, ce sont les semi-conducteurs.
Et le fait d'exciter un électron de la bande de valence à la bande de conduction avec un photon, c'est déjà considéré comme un effet photoélectrique (qu'on appelle alors effet PE interne - car l'électron reste à l'intérieur du matériau, en opposition à l'effet PE externe, où l'électron est expulsé dans le vide) dont le seuil n'est pas le travail d'extraction, mais le gap.

[Deedee81]

D'accord, merci de ces explications très claires