Fotony to małe pakiety energii, które wykazują interesujące zachowanie podobne do fal i cząstek. Fotony są falami elektromagnetycznymi, takimi jak światło widzialne lub promieniowanie rentgenowskie, ale są również kwantowane w energię, podobnie jak cząstki. Energia fotonu jest zatem wielokrotnością stałej podstawowej, zwanej stałą Plancka,h = 6.62607015 × 10-34 Js.
Oblicz energię fotonu
Energię fotonu możemy obliczyć na dwa sposoby. Jeśli znasz już częstotliwość,fa, fotonu w Hz, a następnie użyj:
E=hf
To równanie zostało po raz pierwszy zasugerowane przez Maxa Plancka, który wysunął teorię, że energia fotonów jest skwantowana. Dlatego czasami to równanie energii jest nazywane równaniem Plancka.
Inna forma równania Plancka wykorzystuje prostą zależność, która:
c=\lambda f
gdzieλjest długością fali fotonu, adoto prędkość światła, która jest stała i wynosi 2,998 × 108 SM. Jeśli znasz częstotliwość fotonu, możesz łatwo obliczyć długość fali za pomocą następującego wzoru:
\lambda = \frac{c}{f}
Teraz możemy obliczyć energię fotonu za pomocą dowolnej wersji równania Plancka:
E=hf\text{ lub }E=\frac{hc}{\lambda}
Często używamy jednostek eV lub elektronowoltów jako jednostek energii fotonów zamiast dżuli. Możesz użyćh = 4.1357 × 10-15 eV s, co skutkuje bardziej rozsądną skalą energii dla fotonów.
Które fotony są bardziej energetyczne?
Wzór pozwala bardzo łatwo zobaczyć, jak energia zależy od częstotliwości i długości fali fotonu. Przyjrzyjmy się każdemu z powyższych wzorów i zobaczmy, co implikują one o fizyce fotonów.
Po pierwsze, ponieważ długość fali i częstotliwość zawsze mnożą się do wartości stałej, jeśli foton A ma a częstotliwość dwukrotnie większa od fotonu B, długość fali fotonu A musi wynosić 1/2 długości fali foton B.
Po drugie, możesz się wiele dowiedzieć o tym, jak częstotliwość fotonu może dostarczyć relatywnego wyobrażenia o jego energii. Na przykład, ponieważ foton A ma wyższą częstotliwość niż foton B, wiemy, że jest dwa razy bardziej energetyczny. Ogólnie widzimy, że energia rośnie bezpośrednio z częstotliwością. Podobnie, ponieważ energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do jego długości fali, jeśli foton A ma krótszą długość fali niż foton B, to znowu jest bardziej energetyczny.
Prosty Kalkulator Energii Fotonowej
Przydatne może być szybkie oszacowanie energii fotonów. Ponieważ związek między długością fali fotonu a częstotliwością jest tak prosty, a prędkość światła wynosi z grubsza 3 × 108 m/s, to jeśli znasz rząd wielkości częstotliwości lub długości fali fotonu, możesz łatwo obliczyć drugą wielkość.
Długość fali światła widzialnego wynosi około 10 −8 metrów, więc
f=3\razy{\frac{10^8}{10^{-7}}=3\razy 10^{15}\text{ Hz}
Możesz nawet zapomnieć o 3, jeśli próbujesz tylko szybko oszacować rząd wielkości. Następnie, jeślihto około 4 × 10 −15 eV, to szybkie oszacowanie energii fotonu światła widzialnego wynosi
E=4\times 10^{-15}\times 3\times 10^{15}=12\text{ eV}
To dobra liczba do zapamiętania, jeśli chcesz szybko dowiedzieć się, czy foton znajduje się nad lub above poniżej zakresu widzialnego, ale cała ta procedura jest dobrym sposobem na szybkie oszacowanie fotonu energia. Ta szybka i łatwa procedura może być nawet uważana za prosty kalkulator energii fotonów!