Je světlo vlna nebo částice? Je to současně a ve skutečnosti to samé platí pro elektrony, jak demonstroval Paul Dirac, když v roce 1928 představil svoji relativistickou rovnici vlnové funkce. Jak se ukázalo, světlo a hmota - skoro všechno, co tvoří hmotný vesmír - je složeno z kvant, což jsou částice s vlnovými charakteristikami.
Hlavním mezníkem na cestě k tomuto překvapivému (v té době) závěru byl objev fotoelektrického efektu Heinricha Hertze v roce 1887. Einstein to vysvětlil kvantovou teorií v roce 1905 a od té doby fyzici připustili, že i když se světlo může chovat jako částice, je to částice s charakteristickou vlnovou délkou a frekvencí a tyto veličiny souvisejí s energií světla nebo záření.
Vlnová délka fotonu související s Max Planckem a energií
Rovnice převodníku vlnové délky pochází od otce kvantové teorie, německého fyzika Maxe Plancka. Kolem roku 1900 představil myšlenku kvanta při studiu záření vyzařovaného černým tělesem, což je těleso, které absorbuje veškeré dopadající záření.
Kvantum pomohlo vysvětlit, proč takové tělo emituje záření většinou uprostřed elektromagnetického spektra, spíše než v ultrafialovém záření, jak předpovídá klasická teorie.
Planckovo vysvětlení předpokládalo, že světlo se skládá z diskrétních paketů energie zvaných kvantá nebo fotony, a že energie mohla nabýt pouze diskrétních hodnot, které byly násobky univerzálu konstantní. Konstanta, nazývaná Planckova konstanta, je reprezentována písmenemh, a má hodnotu 6,63 × 10-34 m2 kg / s nebo ekvivalentně 6,63 × 10-34 joule-sekundy.
Planck vysvětlil, že energie fotonu,E, byl produktem jeho frekvence, kterou vždy představuje řecké písmeno nu (ν) a tato nová konstanta. Matematicky:E = hν.
Protože světlo je vlnový jev, můžete Planckovu rovnici vyjádřit pomocí vlnové délky, kterou představuje řecké písmeno lambda (λ), protože pro jakoukoli vlnu se rychlost přenosu rovná jeho frekvenci krát její vlnové délce. Protože rychlost světla je konstantní, označuje seC, Planckovu rovnici lze vyjádřit jako:
E = \ frac {hc} {λ}
Rovnice přeměny vlnové délky na energii
Jednoduché přeskupení Planckovy rovnice vám poskytne okamžitou kalkulačku vlnových délek pro jakékoli záření, za předpokladu, že znáte energii záření. Vzorec vlnové délky je:
λ = \ frac {hc} {E}
ObahaCjsou konstanty, takže rovnice přeměny vlnové délky na energii v podstatě uvádí, že vlnová délka je úměrná inverzní energii. Jinými slovy, záření o dlouhé vlnové délce, které je světlem směrem k červenému konci spektra, má méně energie než světlo s krátkou vlnovou délkou na fialovém konci spektra.
Udržujte své jednotky v přímém směru
Fyzici měří kvantovou energii v různých jednotkách. V systému SI jsou nejběžnějšími energetickými jednotkami jouly, ale jsou příliš velké pro procesy probíhající na kvantové úrovni. Elektron-volt (eV) je pohodlnější jednotka. Je to energie potřebná k urychlení jediného elektronu prostřednictvím rozdílu potenciálů 1 volt a rovná se 1,6 × 10-19 joulů.
Nejběžnějšími jednotkami pro vlnovou délku jsou ångstroms (Å), kde 1 Å = 10-10 m. Pokud znáte energii kvanta v elektronvoltech, nejjednodušší způsob, jak získat vlnovou délku v ångstromech nebo metrech, je nejprve převést energii na jouly. Poté jej můžete připojit přímo do Planckovy rovnice a pomocí 6,63 × 10-34 m2 kg / s pro Planckovu konstantu (h) a 3 × 108 m / s pro rychlost světla (C), můžete vypočítat vlnovou délku.