Onko valo aalto vai hiukkanen? Se on molempia samaan aikaan, ja itse asiassa sama pätee elektroneihin, kuten Paul Dirac osoitti, kun hän esitteli relativistisen aaltofunktioyhtälönsä vuonna 1928. Kuten käy ilmi, valo ja aine - melkein kaikki, mikä muodostaa materiaalisen maailmankaikkeuden - koostuu kvanteista, jotka ovat hiukkasia, joilla on aalto-ominaisuuksia.
Tärkeä maamerkki tälle yllättävälle (tuolloin) johtopäätökselle oli Heinrich Hertzin löytämä valosähköinen vaikutus vuonna 1887. Einstein selitti sen vuonna 1905 kvanttiteorian avulla, ja siitä lähtien fyysikot ovat hyväksyneet sen, vaikka valo voi käyttäytyä hiukkanen, se on partikkeli, jolla on ominainen aallonpituus ja taajuus, ja nämä määrät liittyvät valon tai säteily.
Max Planckin energiaan liittyvä fotonien aallonpituus
Aallonpituuden muunninyhtälö tulee kvanttiteorian isältä, saksalaiselta fyysikolta Max Planckilta. Noin vuonna 1900 hän esitteli kvantin idean tutkiessaan mustan ruumiin, joka on keho, joka absorboi kaiken tulevan säteilyn, säteilyä.
Kvantti auttoi selittämään, miksi tällainen kappale lähettää säteilyä lähinnä sähkömagneettisen spektrin keskellä, pikemminkin ultraviolettisäteessä kuin klassinen teoria ennustaa.
Planckin selitys esitti, että valo koostuu erillisistä energiapaketeista, joita kutsutaan kvanteiksi tai fotonit ja että energia voi saada vain erillisiä arvoja, jotka olivat universumin kerrannaisia vakio. Vakio, jota kutsutaan Planckin vakiona, edustaa kirjaimellah, ja sen arvo on 6,63 × 10-34 m2 kg / s tai vastaavasti 6,63 × 10-34 joule-sekuntia.
Planck selitti, että fotonin energia,E, oli sen taajuuden tulo, jota edustaa aina kreikkalainen kirjain nu (ν) ja tämä uusi vakio. Matemaattisesti:E = hν.
Koska valo on aaltoilmiö, voit ilmaista Planckin yhtälön aallonpituudella, jota edustaa kreikkalainen kirjain lambda (λ), koska mille tahansa aallolle, lähetysnopeus on yhtä suuri kuin sen taajuus ja sen aallonpituus. Koska valon nopeus on vakio, jota merkitäänc, Planckin yhtälö voidaan ilmaista seuraavasti:
E = \ frac {hc} {λ}
Aallonpituuden muunnos yhtälöön
Planckin yhtälön yksinkertainen uudelleenjärjestely antaa sinulle välittömän aallonpituuden laskimen kaikelle säteilylle olettaen, että tiedät säteilyn energian. Aallonpituuden kaava on:
λ = \ frac {hc} {E}
Molemmathjacovat vakioita, joten aallonpituus energian muunnosyhtälöön toteaa periaatteessa, että aallonpituus on verrannollinen energian käänteiseen. Toisin sanoen pitkällä aallonpituussäteilyllä, joka on valoa spektrin punaista päätä kohti, on vähemmän energiaa kuin lyhyen aallonpituuden valossa spektrin violetissa päässä.
Pidä yksiköt suorana
Fyysikot mittaavat kvanttienergiaa useissa yksiköissä. SI-järjestelmässä yleisimmät energiayksiköt ovat jouleja, mutta ne ovat liian suuria kvanttitasolla tapahtuville prosesseille. Elektronivoltti (eV) on mukavampi yksikkö. Se on energia, jota tarvitaan yksittäisen elektronin kiihdyttämiseen 1 voltin potentiaalieron kautta, ja se on yhtä suuri kuin 1,6 × 10-19 joulea.
Yleisimmät aallonpituuden yksiköt ovat ångströmejä (Å), joissa 1 Å = 10-10 m. Jos tiedät kvantin energian elektronivoltteina, helpoin tapa saada aallonpituus ångstromeina tai metreinä on muuntaa energia ensin jouleiksi. Voit sitten kytkeä sen suoraan Planckin yhtälöön ja käyttämällä 6,63 × 10-34 m2 kg / s Planckin vakiolle (h) ja 3 × 108 m / s valon nopeudelle (c), voit laskea aallonpituuden.
