Είναι το φως ένα κύμα ή ένα σωματίδιο; Και τα δύο συγχρόνως, και στην πραγματικότητα, το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόνια, όπως έδειξε ο Paul Dirac όταν εισήγαγε την εξίσωση σχετικιστικής λειτουργίας κυμάτων το 1928. Όπως αποδεικνύεται, το φως και η ύλη - σχεδόν όλα όσα συνθέτουν το υλικό σύμπαν - αποτελούνται από κβάντα, τα οποία είναι σωματίδια με χαρακτηριστικά κύματος.
Ένα σημαντικό ορόσημο στο δρόμο για αυτό το εκπληκτικό (τότε) συμπέρασμα ήταν η ανακάλυψη του φωτοηλεκτρικού εφέ από τον Heinrich Hertz το 1887. Ο Αϊνστάιν το εξήγησε από την άποψη της κβαντικής θεωρίας το 1905, και από τότε, οι φυσικοί το έχουν αποδεχτεί, ενώ το φως μπορεί να συμπεριφέρεται ως σωματίδιο, είναι ένα σωματίδιο με χαρακτηριστικό μήκος κύματος και συχνότητα, και αυτές οι ποσότητες σχετίζονται με την ενέργεια του φωτός ή ακτινοβολία.
Μέγιστο μήκος κύματος φωτονίου σχετιζόμενο με Planck στην ενέργεια
Η εξίσωση μετατροπέα μήκους κύματος προέρχεται από τον πατέρα της κβαντικής θεωρίας, τον Γερμανό φυσικό Max Planck. Γύρω στο 1900, εισήγαγε την ιδέα του κβαντικού μελετώντας την ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα μαύρο σώμα, το οποίο είναι ένα σώμα που απορροφά όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία.
Το κβαντικό βοήθησε να εξηγήσει γιατί ένα τέτοιο σώμα εκπέμπει ακτινοβολία κυρίως στη μέση του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, μάλλον στο υπεριώδες όπως προβλέπει η κλασική θεωρία.
Η εξήγηση του Planck θεώρησε ότι το φως αποτελείται από διακριτά πακέτα ενέργειας που ονομάζονται κβάντα, ή φωτονίων, και ότι η ενέργεια θα μπορούσε να λάβει μόνο διακριτές τιμές, οι οποίες ήταν πολλαπλάσια ενός σύμπαντος συνεχής. Η σταθερά, που ονομάζεται σταθερά του Planck, αντιπροσωπεύεται από το γράμμαη, και έχει τιμή 6,63 × 10-34 Μ2 kg / s ή ισοδύναμα 6,63 × 10-34 δευτερόλεπτα.
Ο Planck εξήγησε ότι η ενέργεια ενός φωτονίου,μι, ήταν το προϊόν της συχνότητάς του, το οποίο αντιπροσωπεύεται πάντα από το ελληνικό γράμμα nu (ν) και αυτή η νέα σταθερά. Σε μαθηματικούς όρους:μι = Έν.
Δεδομένου ότι το φως είναι ένα φαινόμενο κυμάτων, μπορείτε να εκφράσετε την εξίσωση του Planck ως προς το μήκος κύματος, που αντιπροσωπεύεται από το ελληνικό γράμμα λάμδα (λ), επειδή για οποιοδήποτε κύμα, η ταχύτητα μετάδοσης είναι ίση με τη συχνότητα του επί το μήκος κύματος. Δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός είναι μια σταθερά, που υποδηλώνεται μεντο, Η εξίσωση του Planck μπορεί να εκφραστεί ως:
E = \ frac {hc} {λ}
Εξίσωση μετατροπής μήκους κύματος προς ενέργεια
Μια απλή αναδιάταξη της εξίσωσης του Planck σάς δίνει έναν υπολογισμό στιγμιαίου μήκους κύματος για οποιαδήποτε ακτινοβολία, υποθέτοντας ότι γνωρίζετε την ενέργεια της ακτινοβολίας. Ο τύπος μήκους κύματος είναι:
λ = \ frac {hc} {E}
Και τα δυοηκαιντοείναι σταθερές, επομένως η εξίσωση μετατροπής μήκους κύματος προς ενέργεια δηλώνει βασικά ότι το μήκος κύματος είναι ανάλογο με το αντίστροφο της ενέργειας. Με άλλα λόγια, η ακτινοβολία μεγάλου μήκους κύματος, η οποία είναι ελαφριά προς το κόκκινο άκρο του φάσματος, έχει λιγότερη ενέργεια από το φως μικρού μήκους κύματος στο ιώδες άκρο του φάσματος.
Κρατήστε τις μονάδες σας ευθείες
Οι φυσικοί μετρούν την κβαντική ενέργεια σε μια ποικιλία μονάδων. Στο σύστημα SI, οι πιο κοινές μονάδες ενέργειας είναι joules, αλλά είναι πολύ μεγάλες για διαδικασίες που συμβαίνουν σε κβαντικό επίπεδο. Το ηλεκτρονικό βολτ (eV) είναι μια πιο βολική μονάδα. Είναι η ενέργεια που απαιτείται για την επιτάχυνση ενός μόνο ηλεκτρονίου μέσω πιθανής διαφοράς 1 volt και ισούται με 1,6 × 10-19 joules.
Οι πιο κοινές μονάδες για μήκος κύματος είναι ångstroms (Å), όπου 1 Å = 10-10 Μ. Εάν γνωρίζετε την ενέργεια ενός κβαντικού σε ηλεκτρόνια-βολτ, ο ευκολότερος τρόπος για να πάρετε το μήκος κύματος σε strngstroms ή μέτρα είναι να μετατρέψετε πρώτα την ενέργεια σε joules. Στη συνέχεια, μπορείτε να το συνδέσετε απευθείας στην εξίσωση του Planck και χρησιμοποιώντας 6,63 × 10-34 Μ2 kg / s για τη σταθερά του Planck (η) και 3 × 108 m / s για την ταχύτητα του φωτός (ντο), μπορείτε να υπολογίσετε το μήκος κύματος.