Fotonen zijn kleine pakketjes energie die interessant golf- en deeltjesachtig gedrag vertonen. Fotonen zijn zowel elektromagnetische golven, zoals zichtbaar licht, of röntgenstralen, maar worden ook gekwantiseerd in energie-achtige deeltjes. De energie van een foton is daarom een veelvoud van een fundamentele constante, de constante van Planck,h = 6.62607015 × 10-34 J s.
Bereken de energie van een foton
We kunnen de energie van een foton op twee manieren berekenen. Als u de frequentie al weet,f, van het foton in Hz, gebruik dan:
E=hf
Deze vergelijking werd voor het eerst gesuggereerd door Max Planck, die theoretiseerde dat fotonenergie wordt gekwantiseerd. Daarom wordt deze energievergelijking soms de vergelijking van Planck genoemd.
Een andere vorm van de vergelijking van Planck gebruikt de eenvoudige relatie die:
c=\lambda f
waarλis de golflengte van het foton, encis de lichtsnelheid, die een constante is en 2,998 × 10. is8 Mevrouw. Als je de frequentie van het foton kent, kun je de golflengte eenvoudig berekenen met de volgende formule:
\lambda = \frac{c}{f}
Nu kunnen we de energie van een foton berekenen met beide versies van de vergelijking van Planck:
E=hf\text{ of }E=\frac{hc}{\lambda}
Vaak gebruiken we de eenheden van eV, of elektronvolt, als de eenheden voor fotonenergie, in plaats van joules. Je kunt gebruikenh = 4.1357 × 10-15 eV s, wat resulteert in een meer redelijke energieschaal voor fotonen.
Welke fotonen zijn energieker?
De formule maakt het heel gemakkelijk om te zien hoe de energie afhangt van de frequentie en golflengte van een foton. Laten we naar elk van de hierboven getoonde formules kijken en zien wat ze impliceren over de fysica van fotonen.
Ten eerste, omdat de golflengte en de frequentie zich altijd vermenigvuldigen om gelijk te zijn aan een constante, als foton A a. heeft frequentie die twee keer zo groot is als die van foton B, de golflengte van foton A moet 1/2 zijn van de golflengte van foton B.
Ten tweede kun je veel leren over hoe de frequentie van een foton een relatief idee kan geven van zijn energie. Omdat foton A bijvoorbeeld een hogere frequentie heeft dan foton B, weten we dat het twee keer zo energetisch is. Over het algemeen kunnen we zien dat energie direct schaalt met frequentie. Evenzo, omdat de energie van een foton omgekeerd evenredig is met zijn golflengte, als foton A een kortere golflengte heeft dan foton B, is het opnieuw energieker.
Eenvoudige foton-energiecalculator
Het kan handig zijn om snel fotonenenergie te schatten. Omdat de relatie tussen fotongolflengte en frequentie zo eenvoudig is, en de lichtsnelheid ongeveer 3 × 10. is8 m/s, dan kun je, als je de orde van grootte van de frequentie of golflengte van het foton kent, gemakkelijk de andere grootheid berekenen.
De golflengte van zichtbaar licht is ongeveer 10 −8 meter, dus
f=3\times{\frac{10^8}{10^{-7}}=3\times 10^{15}\text{ Hz}
Je kunt de 3 zelfs vergeten als je alleen maar een snelle schatting van de orde van grootte probeert te krijgen. Volgende, alshis ongeveer 4 × 10 −15 eV, dan is een snelle schatting voor de energie van een zichtbaar lichtfoton
E=4\times 10^{-15}\times 3\times 10^{15}=12\text{ eV}
Dat is een goed aantal om te onthouden voor het geval je snel wilt weten of een foton boven of boven is onder het zichtbare bereik, maar deze hele procedure is een goede manier om snel een schatting te maken van foton energie. De snelle en gemakkelijke procedure kan zelfs worden beschouwd als een eenvoudige foton-energiecalculator!