I fotoni sono piccoli pacchetti di energia, che mostrano un interessante comportamento ondulatorio e particellare. I fotoni sono entrambe onde elettromagnetiche, come la luce visibile oi raggi X, ma sono anche quantizzati in energia come le particelle. L'energia di un fotone è quindi un multiplo di una costante fondamentale, detta costante di Planck,h = 6.62607015 × 10-34 J s.
Calcola l'energia di un fotone
Possiamo calcolare l'energia di un fotone in due modi. Se conosci già la frequenza,f, del fotone in Hz, quindi utilizzare:
E=hf
Questa equazione è stata suggerita per la prima volta da Max Planck, che ha teorizzato che l'energia dei fotoni è quantizzata. Pertanto, a volte questa equazione dell'energia viene chiamata equazione di Planck.
Un'altra forma dell'equazione di Planck usa la semplice relazione che
c=\lambda f
doveλè la lunghezza d'onda del fotone, ecè la velocità della luce, che è una costante ed è 2,998 × 108 SM. Se conosci la frequenza del fotone, puoi facilmente calcolare la lunghezza d'onda con la seguente formula:
\lambda = \frac{c}{f}
Ora possiamo calcolare l'energia di un fotone con entrambe le versioni dell'equazione di Planck:
E=hf\text{ o }E=\frac{hc}{\lambda}
Spesso usiamo le unità di eV, o elettronvolt, come unità per l'energia dei fotoni, invece dei joule. Puoi usareh = 4.1357 × 10-15 eV s, che si traduce in una scala energetica più ragionevole per i fotoni.
Quali fotoni sono più energetici?
La formula rende molto facile vedere come l'energia dipende dalla frequenza e dalla lunghezza d'onda di un fotone. Diamo un'occhiata a ciascuna delle formule mostrate sopra e vediamo cosa implicano sulla fisica dei fotoni.
Primo, perché la lunghezza d'onda e la frequenza si moltiplicano sempre per eguagliare una costante, se il fotone A ha a frequenza che è due volte quella del fotone B, la lunghezza d'onda del fotone A deve essere 1/2 della lunghezza d'onda di fotone B.
In secondo luogo, puoi imparare molto su come la frequenza di un fotone può fornire un'idea relativa della sua energia. Ad esempio, poiché il fotone A ha una frequenza più alta del fotone B, sappiamo che è due volte più energetico. In generale, possiamo vedere che l'energia scala direttamente con la frequenza. Allo stesso modo, poiché l'energia di un fotone è inversamente proporzionale alla sua lunghezza d'onda, se il fotone A ha una lunghezza d'onda più corta del fotone B, è di nuovo più energico.
Calcolatore di energia fotonica semplice
Può essere utile stimare rapidamente l'energia dei fotoni. Perché la relazione tra la lunghezza d'onda e la frequenza del fotone è così semplice e la velocità della luce è di circa 3 × 108 m/s, quindi se conosci l'ordine di grandezza della frequenza o della lunghezza d'onda del fotone, puoi facilmente calcolare l'altra quantità.
La lunghezza d'onda della luce visibile è di circa 10 −8 metri, quindi
f=3\volte{\frac{10^8}{10^{-7}}=3\volte 10^{15}\testo{ Hz}
Puoi persino dimenticare il 3 se stai solo cercando di ottenere una rapida stima dell'ordine di grandezza. Successivamente, sehè circa 4 × 10 −15 eV, quindi una rapida stima per l'energia di un fotone di luce visibile è
E=4\times 10^{-15}\times 3\times 10^{15}=12\text{ eV}
È un buon numero da ricordare nel caso tu voglia capire rapidamente se un fotone è sopra o al di sotto dell'intervallo visibile, ma l'intera procedura è un buon modo per fare una rapida stima del fotone energia. La procedura semplice e veloce potrebbe anche essere considerata un semplice calcolatore di energia fotonica!
