Er lys en bølge eller en partikel? Det er begge på samme tid, og faktisk gælder det samme for elektroner, som Paul Dirac demonstrerede, da han introducerede sin relativistiske bølgefunktionsligning i 1928. Som det viser sig, er lys og materie - stort set alt, hvad der sammensætter det materielle univers - sammensat af kvanta, som er partikler med bølgeegenskaber.
Et vigtigt vartegn på vejen til denne overraskende (på det tidspunkt) konklusion var opdagelsen af den fotoelektriske effekt af Heinrich Hertz i 1887. Einstein forklarede det i kvanteteori i 1905, og siden da har fysikere accepteret det, mens lys kan opføre sig som en partikel, er det en partikel med en karakteristisk bølgelængde og frekvens, og disse størrelser er relateret til lysets energi eller stråling.
Max Planck-relateret fotonbølgelængde til energi
Ligningen for bølgelængdekonverteren kommer fra kvanteteoriens far, den tyske fysiker Max Planck. Omkring 1900 introducerede han ideen om kvanten, mens han studerede strålingen udsendt af en sort krop, som er en krop, der absorberer al indfaldende stråling.
Kvanten hjalp med at forklare, hvorfor en sådan krop udsender stråling for det meste midt i det elektromagnetiske spektrum, snarere end i ultraviolet som forudsagt af klassisk teori.
Plancks forklaring hævdede, at lys består af diskrete energipakker kaldet quanta, eller fotoner, og at energien kun kunne påtage sig diskrete værdier, som var multipla af en universal konstant. Konstanten, kaldet Plancks konstant, er repræsenteret af brevethog har en værdi på 6,63 × 10-34 m2 kg / s eller ækvivalent 6,63 × 10-34 joule-sekunder.
Planck forklarede, at energien fra en foton,E, var produktet af dens frekvens, som altid er repræsenteret af det græske bogstav nu (ν) og denne nye konstant. I matematiske termer:E = hν.
Da lys er et bølgefænomen, kan du udtrykke Plancks ligning i form af bølgelængde, repræsenteret af det græske bogstav lambda (λ), fordi for enhver bølge er transmissionshastigheden lig med dens frekvens gange dens bølgelængde. Da lysets hastighed er konstant, betegnet medc, Plancks ligning kan udtrykkes som:
E = \ frac {hc} {λ}
Bølgelængde til ligning af energikonvertering
En simpel omlejring af Plancks ligning giver dig en øjeblikkelig bølgelængderegner til enhver stråling, forudsat at du kender strålingsenergien. Bølgelængdeformlen er:
λ = \ frac {hc} {E}
Beggehogcer konstanter, så bølgelængde til energikonvertering ligning grundlæggende siger, at bølgelængde er proportional med det inverse af energi. Med andre ord har lang bølgelængdestråling, som er lys mod den røde ende af spektret, mindre energi end kort bølgelængdelys på den violette ende af spektret.
Hold dine enheder lige
Fysikere måler kvanteenergi i en række enheder. I SI-systemet er de mest almindelige energienheder joule, men de er for store til processer, der sker på kvante-niveau. Elektronvolt (eV) er en mere bekvem enhed. Det er den nødvendige energi til at accelerere en enkelt elektron gennem en potentiel forskel på 1 volt, og den er lig med 1,6 × 10-19 joules.
De mest almindelige enheder for bølgelængde er ångstrøm (Å), hvor 1 Å = 10-10 m. Hvis du kender energien til et kvante i elektronvolt, er den nemmeste måde at få bølgelængden i ångstrøm eller meter på først at konvertere energien til joule. Du kan derefter tilslutte det direkte til Plancks ligning og bruge 6,63 × 10-34 m2 kg / s for Plancks konstant (h) og 3 × 108 m / s for lysets hastighed (c), kan du beregne bølgelængden.