Er lys en bølge eller en partikkel? Det er begge samtidig, og faktisk gjelder det samme for elektroner, som Paul Dirac demonstrerte da han introduserte sin relativistiske bølgefunksjonsligning i 1928. Som det viser seg, er lys og materie - stort sett alt som komponerer det materielle universet - sammensatt av kvanta, som er partikler med bølgeegenskaper.
Et viktig landemerke på veien til denne overraskende (på den tiden) konklusjonen var oppdagelsen av den fotoelektriske effekten av Heinrich Hertz i 1887. Einstein forklarte det med kvanteteori i 1905, og siden den gang har fysikere akseptert at mens lys kan oppføre seg som en partikkel, er det en partikkel med en karakteristisk bølgelengde og frekvens, og disse størrelsene er relatert til lysets energi eller stråling.
Max Planck-relatert fotonbølgelengde til energi
Bølgelengdekonverteringsligningen kommer fra kvanteteoriens far, den tyske fysikeren Max Planck. Rundt 1900 introduserte han ideen om kvanten mens han studerte strålingen fra en svart kropp, som er en kropp som absorberer all innfallende stråling.
Kvanten hjalp til med å forklare hvorfor en slik kropp avgir stråling hovedsakelig midt i det elektromagnetiske spekteret, snarere det i ultrafiolett som forutsagt av klassisk teori.
Plancks forklaring antydet at lys består av diskrete pakker med energi kalt quanta, eller fotoner, og at energien bare kunne ta på seg diskrete verdier, som var multipler av en universal konstant. Konstanten, kalt Plancks konstant, er representert med bokstavenh, og har en verdi på 6,63 × 10-34 m2 kg / s eller tilsvarende 6,63 × 10-34 joule-sekunder.
Planck forklarte at energien til et foton,E, var produktet av frekvensen, som alltid er representert av den greske bokstaven nu (ν) og denne nye konstanten. I matematiske termer:E = hν.
Siden lys er et bølgefenomen, kan du uttrykke Plancks ligning i form av bølgelengde, representert med den greske bokstaven lambda (λ), fordi overføringshastigheten for enhver bølge er lik frekvensen ganger bølgelengden. Siden lysets hastighet er konstant, betegnet medc, Plancks ligning kan uttrykkes som:
E = \ frac {hc} {λ}
Bølgelengde til energikonvertering ligning
En enkel omorganisering av Plancks ligning gir deg en øyeblikkelig kalkulator for bølgelengde for enhver stråling, forutsatt at du kjenner energien til strålingen. Bølgelengdeformelen er:
λ = \ frac {hc} {E}
Bådehogcer konstanter, så bølgelengde til energiomdannelsesligning sier i utgangspunktet at bølgelengden er proporsjonal med det inverse av energi. Med andre ord, lang bølgelengdestråling, som er lys mot den røde enden av spekteret, har mindre energi enn kort bølgelengdelys på den fiolette enden av spekteret.
Hold enhetene dine rett
Fysikere måler kvanteenergi i en rekke enheter. I SI-systemet er de vanligste energienhetene joule, men de er for store for prosesser som skjer på kvantenivå. Elektronvolten (eV) er en mer praktisk enhet. Det er energien som kreves for å akselerere et enkelt elektron gjennom en potensialforskjell på 1 volt, og det er lik 1,6 × 10-19 joules.
De vanligste enhetene for bølgelengde er ångstrømmer (Å), hvor 1 Å = 10-10 m. Hvis du kjenner energien til et kvante i elektronvolter, er den enkleste måten å få bølgelengden i ångstrøm eller meter først å konvertere energien til joule. Du kan deretter koble den direkte til Plancks ligning, og bruke 6,63 × 10-34 m2 kg / s for Plancks konstant (h) og 3 × 108 m / s for lysets hastighet (c), kan du beregne bølgelengden.