8/ Bibliographie 1/ Introduction








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L’effet photo-électrique .


République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la recherche scientifique

Université Mentouri Constantine

Faculté des science de l’ingénieur

Département d’électronique

Master 1 électroniqque biomédicale

2010-2011

Réaliser par :

Daili Fatima zohra

Atoussi Sarah

SOMMAIRE

1/ Introduction

2/ Historique

3/ Définition

4/ Application de l’effet photoélectrique dans les semi- conducteurs (interne) 

5/ Les applications de l’effet photo-électrique

6/ Les applications médicales de l’effet photo-électrique


7/ Conclusion

8/ Bibliographie

1/ Introduction

L'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont éjectés du matériau (émission photoélectrique), et une...) désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) provoqués par l'action de la lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm à 780 nm ; le symbole nm désigne le nanomètre). La lumière est...). On distingue deux cas : des électrons sont éjectés du matériau (émission photoélectrique), et une augmentation de la conductivité du matériau (Photoconductivité, effet photovoltaïque).

Dans l'effet photoélectrique (EPE), toute l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) incident se transmet à l'électron périphérique sous forme d'énergie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.). Une absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition...) partielle est caractérisée par la diffusion Compton (En physique, la diffusion Compton est la diffusion d'un photon sur une particule de matière, comme un électron. On appelle effet Compton plus spécifiquement l'augmentation de...).

2/ Historique

En 1839, Antoine Becquerel et son fils présentent pour la première fois un effet photoélectrique. Leur expérience permet d'observer le comportement électrique d'électrodes immergées dans un liquide, modifié par un éclairage.

Il a été compris et présenté en 1887 par Heinrich Rudolf Hertz qui en publia les résultats dans la revue scientifique Annalen der Physik. : la lumière est “quanta”, ondes et corpuscules (petites particules) à la fois. Eclairée par une lumière bleue, une plaque de métal éjecte des électrons, minuscules grains d’électricité : c’est l’effet photoélectrique. (Mais ca ne marche pas avec une lumière rouge!)
 

Albert Einstein fut le premier, en 1905, à en proposer une explication, en utilisant le concept de particule de lumière, appelé aujourd'hui photon, et celle du quantum d'énergie initialement introduits par Max Planck dans le cadre de l'explication qu'il proposa lui-même pour l'émission du corps noir. Einstein a expliqué que ce phénomène était provoqué par l'absorption de photons, les quanta de lumière, lors de l'interaction du matériau avec la lumière. Cette découverte lui valut le prix Nobel de physique en 1921.

3/ Définition


L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau, généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou un rayonnement électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau.

Dans l'effet photoélectrique, on éclaire une plaque de métal et celle-ci émet des électrons.

La photoélectrique est la définition des phénomènes électriques qui sont provoqués par l'action de la  lumière (bleue ou UV ) sur la matière.

Une plaque de Zinc fraîchement polie, et chargée négativement perd sa charge si elle est exposée à la lumière UV. Ce phénomène s'appelle l'effet photoélectrique.


L’effet photoélectrique se produit aussi avec d’autres matériaux si la longueur d'onde est assez courte. (Plus la longueur d'onde est courte, plus l'intensité de l'onde est importante et donc plus elle est énergique)


  • λ = c / f



 λ = longueur d'ondes

c = vitesse de la lumière 

f = fréquence
Longueur d'ondes :  

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f5/photoelectric_effect.svg/200px-photoelectric_effect.svg.png

Fig(1) : Un schéma montrant l'émission d'électrons depuis une plaque métallique. L'émission de chaque électron (ligne bleue) requiert une quantité minimale d'énergie, laquelle est apportée par un photon (ligne rouge).

  • Si on éclaire un morceau de métal avec de la lumière violette, on soumet les atomes du métal à une pluie de photons (particules de lumière) très énergétiques. Ceci a pour résultat d’arracher de nombreux électrons du métal et de créer un courant électrique. http://sites.estvideo.net/college.anne.fr/dossier2/images2/images_copains_d_albert/image21_07_photoelectrique.jpg

  • Si on renouvelle l’expérience avec moins de photons de la même espèce, on continue à observer le même phénomène : du courant électrique est produit.

  • Si on recommence encore une fois l’expérience mais en utilisant un bombardement intense de photons rouges qui sont moins énergétiques, celui-ci est incapable d’arracher des électrons au métal.

Dans le cas de l’effet photoélectrique, ce n’est donc pas le nombre de photons qui compte pour que le phénomène se produise mais la quantité d’énergie que chacun véhicule.

Constatations expérimentales de l'émission photoélectrique


  1. Les électrons ne sont émis que si la fréquence de la lumière est suffisamment élevée et dépasse une fréquence limite appelée fréquence seuil

  2. Cette fréquence seuil dépend du matériau et est directement liée à l'énergie de liaison des électrons qui peuvent être émis,

  3. Le nombre d'électrons émis lors de l'exposition à la lumière, qui détermine l'intensité du courant électrique, est proportionnel à l'intensité de la source lumineuse,

  4. L'énergie cinétique des électrons émis dépend linéairement de la fréquence de la lumière incidente.

  5. Le phénomène d'émission photoélectrique se produit dans un délai extrêmement petit inférieur à 10-9 s après l'éclairage, ce qui rend le phénomène quasi instantané.

Interprétation et explication


Cet effet ne peut pas être expliqué de manière satisfaisante lorsque l'on considère que la lumière est une onde, la théorie acceptée à l'époque, qui permet d'expliquer la plupart des phénomènes dans lesquels la lumière intervient, tel l'optique, et qui était traduite mathématiquement par la théorie de James Clerk Maxwell.

En effet, si l'on considère la lumière comme une onde, en augmentant son intensité et en attendant suffisamment longtemps, on devrait pouvoir fournir suffisamment d'énergie au matériau pour en libérer les électrons. L'expérience montre que l'intensité lumineuse n'est pas le seul paramètre, et que le transfert d'énergie provoquant la libération des électrons ne peut se faire qu'à partir d'une certaine fréquence.http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/77/photoelectric_effect.png/300px-photoelectric_effect.png

Fig (3) :L'effet photoélectrique, l'onde électromagnétique incidente éjecte les électrons du matériau

L'interprétation d’Einstein, l'absorption d'un photon, permettait d'expliquer parfaitement toutes les caractéristiques de ce phénomène. Les photons de la source lumineuse possèdent une énergie caractéristique déterminée par la fréquence de la lumière. Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que l'énergie de celui-ci est suffisante, l'électron est éjecté; sinon l'électron ne peut s'échapper du matériau. Comme augmenter l'intensité de la source lumineuse ne change pas l'énergie des photons mais seulement leur nombre, on comprend aisément que l'énergie des électrons émis par le matériau ne dépend pas de l'intensité de la source lumineuse.

Après l'absorption du photon par l'atome, le photoélectron émis a une énergie

Ee = EgEbEb : est l'énergie de liaison du photoélectron.

L'effet photoélectrique domine aux faibles énergies, mais la section efficace croît rapidement avec le numéro atomique Z : \sigma _{pe}=\frac{z^n}{{e_g}^{3.5}}

n varie de 4 à 5.

À des énergies et des numéros atomiques où ce processus est important, l'électron émis est absorbé sur une distance très courte de telle manière que toute son énergie est enregistrée dans le détecteur. Les rayons X qui sont émis dans la réorganisation du cortège électronique suite à l'émission de l'électron sont également absorbés dans le milieu.


E = h . ν
Équation


"E": correspond à l'énergie du photon,

ν (lettre grecque nu) : la fréquence

h : est la constante de Planck qui vaut 6,626076.10-34 joule-seconde [J.s].
L'énergie d'un photon est caractérisée par la formule , formule découverte par Einstein.

On constate que l'énergie du photon est proportionnelle à la fréquence et varie en fonction de la couleur[]

4/ Application de l’effet photoélectrique dans les semi- conducteurs (interne) :

L’effet photoélectrique résulte de « l’excitation » d’un électron dans la bande de conduction L’effet photoélectrique peut être utilisé dans des détecteurs (photodiodes, phototransistor…), ou pour fournir, comme dans notre cas, de l’électricité, avec les cellules photovoltaïques.

Lorsqu'un électron du matériau absorbe un photon et que son énergie est supérieure à l'énergie W de liaison de l'électron, celui-ci est éjecté; sinon il ne peut pas s'échapper du matériau. Si l'énergie d'un photon est plus grande que cette valeur, l'électron peut être émis. De cette explication, il en résulte l'équation suivante:


Ekin   =   h f   −   W
 

 

  • Ekin : énergie cinétique maximale d'émission


  • f : fréquence

  • W : travail d'extraction

  • h : constante de Planck (6,626·10-34 Js)

http://s4.e-monsite.com/2011/03/29/08/resize_120_120/image-2.gif


5/ Les applications de l’effet photo-électrique


Les applications de l’effet photo-électrique seront l’électronique :

- l’ouverture automatique des portes

- les cellules des appareils photos

- le réglage automatique d’une photocopieuse

- Les panneaux solaires et les cellules photovoltaïques utilisent l'effet photoélectrique pour générer directement de l'énergie électrique à partir de la lumière du Soleil ((pourcentage en masse)). Cette énergie sert également aux navettes spatiales pour leur fournir une pile au silicium. 

- Le CCD( Charged Coupled Device) est un dispositif qui assure en même temps les fonctions de conversion photoélectrique

6/ Les applications médicales de l’effet photo-électrique

6-1/ En radiologie


L’intégralité de l’énergie d’un photon incident est transférée à un électron de l’un des atomes du milieu atténuant. Il y a une absorption totale du photon (et donc une atténuation du faisceau). L’énergie absorbée est d’autant plus utiliser pour ioniser un des électrons atomiques, généralement sur un orbitale proche du noyau. Le surplus d’énergie constitue une énergie cinétique conférée à l’électron accéléré. Cet électron constituera donc une source secondaire de rayonnement ionisant en interaction avec la matière.


µPE = Ci ρ Z3/E3
Le calcul du coefficient d’atténuation par effet photoélectrique est essentiel pour les applications médicales car de lui dépend le contraste en radiologie. On la relation approximative, parfois connu sous le nom de relation de Bragg et Pierce :

Ci dépend du nombre quantique principal de l’électron ionisé, ρ et z sont la masse volumique et le numéro atomique du milieu atténuant, et e l’énergie du photon incident.

L’effet photoélectrique est donc prépondérant dans les milieux relativement denses et pour des énergies de photons relativement faibles.

En pratique, dans les tissus biologiques, l’atténuation par effet photoélectrique est prépondérante pour les photons d’énergies comprises entre 10 et 50 keV. Ceci justifie l’utilisation de plomb en radiologie pour se protéger des photons dont l’énergie est de l’ordre de la centaine de keV.



6-2/ Détection des RX (radioprotection)


E = W+Ecin .
Le photon entre en collision avec un électron des couches internes de l’atome. L’énergie E du photon incident est transférée à l’électron qui est éjecté de sa couche. Une partie de cette énergie est utilisée pour “extraire” l’électron interne (énergie de liaison W); l’excédent d’énergie se retrouve sous forme d’énergie cinétique de l’électron éjecté. Par conséquent,

L’effet photoélectrique ne peut avoir lieu que si l’énergie du photon incident est supérieure à l’énergie de liaison de l’électron.

L’énergie cinétique du photoélectron est finalement transférée au milieu lors d’ionisations ultérieures. Le retour de l’atome à l’état fondamental s’accompagne d’une émission d’énergie sous forme d’un photon de fluorescence ou d’un électron Auger.

Le photon de fluorescence est émis lorsqu'un électron des couches supérieures prend la place laissée vacante par l'électron éjecté. Parfois, pour des milieux de Z petit, le photon de fluorescence produit un nouvel effet photoélectrique avec émission d'un électron: c'est l'effet Auger.



6-3/ Le mécanisme d’absorption des photons le plus efficace (radioprotection)

Absorption d’un gamma par un atome
L’effet photoélectrique se produit en deux temps. Tout d’abord, le photon arrache (a) un électron lié d’un atome. Dans le cas d’un gamma, il s’agit généralement d’un électron appartenant aux couches les plus internes L ou K (comme sur la figure). Ensuite l’atome qui a perdu un de ses électrons internes se trouve dans un état excité. Un électron d’une couche plus externe (b) vient occuper la lacune laissée par l’électron éjecté. Si l’électron éjecté appartenait à la couche K comme sur la figure, un rayon X est émis lors de cette transition.g:\radioactivite effet photoelectrique_fichiers\absorption_photoelectrique.jpg

L’effet photoélectrique est le phénomène qui transforme les infrarouges, la lumière, les ultraviolets en courant électrique dans les panneaux solaires et les cellules de nos caméras. Il intervient aussi en radioprotection, un tout autre domaine, pour nous protéger des rayons X et gamma en transformant ces rayonnements pénétrants en électrons faciles à arrêter.

L’effet photoélectrique est le phénomène physique le plus efficace pour atténuer ces rayonnements. Le photon gamma ou X, absorbé en interagissant avec un électron lié à un atom, disparaît.

La structure en couches des atomes joue un rôle primordial. Le photon n’arrache un électron que si son énergie est supérieure à l’énergie de liaison de celui-ci sur sa couche. La probabilité (appelée section efficace) d’arracher un électron à sa couche devient non nulle qu’une fois passé ce seuil.

g:\radioactivite effet photoelectrique_fichiers\pt_photoelectric_lead.jpg
Effet photoélectrique : exemple du plomb

g:\radioactivite effet photoelectrique_fichiers\pt_copper_photon.jpg
Photoélectrique contre Compton

g:\radioactivite effet photoelectrique_fichiers\espaceur.gif



Les photons lumineux de faible énergie n’arrachent que les électrons les moins liés et les plus externes des atomes. Cette capacité diminue très vite, jusqu’au moment où l’énergie des photons dépasse le seuil de l’énergie de liaison de la première couche interne de l’atome : le photon devient capable d’arracher les électrons de cette couche.

Au passage de ce seuil, la probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche s'ajoute à celle des couches précédentes. La probabilité de l'effet photoélectrique augmente d'autant. Elle fait un "saut".

La probabilité d’arracher les électrons de la nouvelle couche décroît à son tour jusqu’au moment où l’énergie du photon dépasse le seuil de l’énergie de liaison des électrons de la couche suivante qui deviennent alors les principaux contributeurs. Au fur et à mesure que son énergie augmente, le photon interagit tour à tour avec des couches de plus en plus profondes de l’atome.

Ce sont les deux électrons de la couche K la plus profonde, en prise directe avec le noyau de l’atome qui constituent en quelque sorte la dernière cartouche. Après un saut ultime, la section efficace décroît inexorablement. Le photon est devenu un rayon X voire un rayon gamma du fait de son énergie qui a beaucoup cru. Une fois passé le seuil de la couche K, la charge électrique Z du noyau intervient à la puissance quatrième : l’effet photoélectrique pour un atome de plomb (Z=82) sera donc 10000 fois plus fort que pour un atome d’oxygène (Z=8).

Au total, la décroissance de l’effet photoélectrique avec l’énergie est impressionnante, bien que la chute soit atténuée par les sauts observés lors la traversée des seuils des couches successives de l’atome.

Dans le cas de l’oxygène, l’énergie de liaison de la couche K, de l’ordre de 1 keV, est négligeable pour des gamma dont les énergies sont de plusieurs dizaines ou centaines de keV. L’électron leur paraît quasi libre. On est dans le domaine de l’effet Compton qui l’emporte alors sur l’effet photoélectrique.

Le cas du plomb est beaucoup plus favorable pour la radioprotection. Le matériau est très dense. Les énergies de liaison de 20 et 90 keV des couches internes L et K sont bien supérieures. On bénéficie de la contribution des électrons L et K et surtout de la charge très élevée du noyau de plomb (Z=82 ) dans un domaine qui englobe l’ensemble des rayons X et une part appréciable des rayons gamma.

Pour terminer, qu’advient-il de l’atome laissé dans un état excité. Il a hérite d’un surplus d’énergie égal à l’énergie de liaison arraché. Il va se réorganiser et restituer cette excédent. Si le photon gamma a arraché un électron de la couche K, un électron de la couche L plus externe va occuper la lacune laissée sur la couche K en émettant un rayon X. Ce rayon sera généralement absorbé après un court parcours.

6-4/ En imagerie médicale

Les photons interagissent de façon aléatoire, principalement par effet photoélectrique, ce qui crée le contraste de l’image

6-5/ Radioprotection cirkus

Puisqu’il s’agit du domaine médical, le patient est un élément incontournable.

Le rayonnement primaire va être totalement absorbé et déposer toute son énergie dans le patient (effet photo électrique),

Conclusion

L’effet photo-électrique est un phénomène important dans le domaine médicale est leur utilisation peut entier en différent technique de la technologie

Bibliographie

jsaf2004.in2p3.fr/jijel/cours/Cours_A._Lounis.ppt

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/69/95/ANNEX/tel-00006585.pdf

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/69/95/PDF/tel-00006585.pdf

http://www.fmdc4u.webou.net/Cours/Interactions%20des%20rayonnements%20ionisants%20avec%20la%20matiere.pdf


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