Les photons sont de petits paquets d'énergie, qui présentent un comportement intéressant semblable à celui des ondes et des particules. Les photons sont à la fois des ondes électromagnétiques, telles que la lumière visible ou les rayons X, mais sont également quantifiés en énergie comme des particules. L'énergie d'un photon est donc un multiple d'une constante fondamentale, appelée constante de Planck,h = 6.62607015 × 10-34 J s.
Calculer l'énergie d'un photon
Nous pouvons calculer l'énergie d'un photon de deux manières. Si vous connaissez déjà la fréquence,F, du photon en Hz, puis utilisez :
E=hf
Cette équation a été suggérée pour la première fois par Max Planck, qui a théorisé que l'énergie des photons est quantifiée. Par conséquent, cette équation d'énergie est parfois appelée équation de Planck.
Une autre forme de l'équation de Planck utilise la relation simple qui
c=\lambda f
oùλest la longueur d'onde du photon, etcest la vitesse de la lumière, qui est une constante et est de 2,998 × 10
8 Mme. Si vous connaissez la fréquence du photon, vous pouvez facilement calculer la longueur d'onde par la formule suivante :\lambda = \frac{c}{f}
Nous pouvons maintenant calculer l'énergie d'un photon par l'une ou l'autre des versions de l'équation de Planck :
E=hf\text{ ou }E=\frac{hc}{\lambda}
Souvent, nous utilisons les unités eV, ou électrons-volts, comme unités d'énergie des photons, au lieu des joules. Vous pouvez utiliserh = 4.1357 × 10-15 eV s, ce qui donne une échelle d'énergie plus raisonnable pour les photons.
Quels photons sont plus énergétiques ?
La formule permet de voir très facilement comment l'énergie dépend de la fréquence et de la longueur d'onde d'un photon. Examinons chacune des formules présentées ci-dessus et voyons ce qu'elles impliquent sur la physique des photons.
Premièrement, parce que la longueur d'onde et la fréquence se multiplient toujours pour être égales à une constante, si le photon A a un fréquence qui est deux fois celle du photon B, la longueur d'onde du photon A doit être 1/2 de la longueur d'onde de photon B.
Deuxièmement, vous pouvez en apprendre beaucoup sur la façon dont la fréquence d'un photon peut fournir une idée relative de son énergie. Par exemple, puisque le photon A a une fréquence plus élevée que le photon B, nous savons qu'il est deux fois plus énergétique. En général, nous pouvons voir que l'énergie évolue directement avec la fréquence. De même, comme l'énergie d'un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde, si le photon A a une longueur d'onde plus courte que le photon B, il est à nouveau plus énergétique.
Calculateur d'énergie photonique simple
Il peut être utile d'estimer rapidement l'énergie des photons. Parce que la relation entre la longueur d'onde et la fréquence des photons est si simple, et la vitesse de la lumière est d'environ 3 × 108 m/s, alors si vous connaissez l'ordre de grandeur de la fréquence ou de la longueur d'onde du photon, vous pouvez facilement calculer l'autre quantité.
La longueur d'onde de la lumière visible est d'environ 10 −8 mètres, donc
f=3\fois{\frac{10^8}{10^{-7}}=3\fois 10^{15}\text{ Hz}
Vous pouvez même oublier le 3 si vous essayez simplement d'obtenir une estimation rapide de l'ordre de grandeur. Ensuite, sihest d'environ 4 × 10 −15 eV, alors une estimation rapide de l'énergie d'un photon de lumière visible est
E=4\fois 10^{-15}\fois 3\fois 10^{15}=12\texte{ eV}
C'est un bon nombre à retenir au cas où vous voudriez savoir rapidement si un photon est au-dessus ou en dessous de la plage visible, mais toute cette procédure est un bon moyen de faire une estimation rapide du photon énergie. La procédure simple et rapide pourrait même être considérée comme un simple calculateur d'énergie photonique !