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3. Description
L’appareil pour la constante de Planck permet de
déterminer la constante de Planck
h
et le travail
de sortie des électrons
W
de la cathode en
césium de la cellule photoélectrique selon la
méthode de la différence de potentiel inverse.
Il comprend une cellule photoélectrique à vide, un
voltmètre pour la mesure de la différence de
potentiel inverse, un nanoampèremètre pour la
mesure du courant photoélectrique et une source
de tension pour les DEL. En tant que sources
lumineuses de fréquence différente, cinq diodes
électroluminescentes (DEL) de longueur d’onde
connue sont disponibles. L’intensité de la lumière
émise peut varier chaque fois entre 0 et 100 %.
La cellule photoélectrique se compose d’une
cathode vaporisée de césium et d’une anode
cylindrique. Si l’appareil est sous tension, une
tension est présente entre ces électrodes : elle
peut être réglée à l’aide de deux boutons.
L’alimentation en courant de l’appareil s’effectue
à partir d’une alimentation enfichable fournie.
L’appareil pour la constante de Planck dont la
référence est 1000536 / U10700-115, est conçu
pour une tension du secteur de 115 V (±10 %),
l’appareil dont la référence est 1000537 /
U10700-230 pour une tension du secteur de
230 V (±10 %)
4. Caractéristiques techniques
Cellule photo-
électrique :
Type 1P39, Césium (Cs)
Voltmètre :
3½ digit., LCD
Précision :
0,5 % (typique)
Nanoampèremètre : 3½ digit., LCD
Précision :
1 % (typique)
DEL :
472 nm, 505 nm, 525 nm,
588 nm, 611 nm
Dimensions :
280 x 150 x 130 mm³
Poids :
env. 1,3 kg
5. Bases théoriques
L'effet photoélectrique fut une des dernières
énigmes de la fin du 19ème siècle et du début du
20ème siècle, époque à laquelle on pensait avoir
quasiment fait le tour de la question en physique.
La théorie classique ne permettait pas
d'expliquer ce phénomène. En 1905, Einstein
parvint à faire une description théorique
incroyablement simple de cet effet, à l'aide de la
théorie quantique introduite par Max Planck. Il
expliqua que la lumière est composée de
particules appelés photons. L'énergie
E
, de ces
photons (quanta de lumière) devait être
directement proportionnelle à leur fréquence
f
et
leur nombre d'impulsions
p
indirectement
proportionnel aux longueurs d'ondes
:
/
E
h f p h
La constante de proportionnalité
h
est désignée
comme la Constante de Planck. Cela signifie que
l'énergie
sous
forme
de
rayonnement
électromagnétique ne peut être émise qu'en
petits paquets, appelés quanta. Cette valeur
minimale dépend de la fréquence. La Constante
de Planck est une constante naturelle
fondamentale dont la valeur exacte est
h
=
6,62606896*10
-34
Js.
Dans cette expérience, la lumière de la diode
électroluminescente
connectée,
rencontre
l'anode cylindrique sur la cathode. Si un électron
rencontre un photon, le photon lui transmet toute
son énergie, (
E h f
) par effet photoélectrique.
Une partie de cette énergie servira à repousser
les électrons de la surface métallique (travail de
sortie
W
). Le reste de l'énergie est mis à
disposition des électrons sous forme d'énergie
cinétique :
kin
E
h f W
Le travail de sortie des électrons s’agit d’une
grandeur dépendant du matériau et de la
température et pour le césium, elle est égale à
2,14 eV pour 0 K et environ 2 eV à température
ambiante.
Selon la différence de potentiel inverse appliquée
entre la cathode et l’anode, un flux d’électrons
circule de la cathode vers l’anode, mesuré à
l’aide du nanoampèremètre. Correspond à la
différence de potentiel inverse de la tension limite
U
0
avec
0
kin
e U
E
h f W
et
19
1,6021 10 C
e
donc ce courant atteint la valeur 0 nA.
Dans un diagramme
f
0
e U
, les tensions limites
U
0
mesurées pour différentes fréquences
f
se
trouvent sur une droite de gradient
h
et d’une
section de coordonnée y
W
. En fonction du
matériau de la cathode, l'axe des ordonnées y de
la droite correspondante, est différent. La montée
de la droite dépend du matériau de la cathode.
6. Manipulation
6.1 Mesure des tensions limites avec une
intensité lumineuse de 75 %.
Raccordez l’alimentation enfichable pour
l’alimentation en courant.
Réglez l’intensité lumineuse sur 75 %.
