Är ljus en våg eller en partikel? Det är båda samtidigt, och faktiskt gäller samma för elektroner, som Paul Dirac demonstrerade när han introducerade sin relativistiska vågfunktionsekvation 1928. Som det visar sig består ljus och materia - i stort sett allt som komponerar det materiella universumet - av kvantiteter, som är partiklar med vågegenskaper.
Ett viktigt landmärke på vägen mot denna överraskande (då) slutsats var upptäckten av den fotoelektriska effekten av Heinrich Hertz 1887. Einstein förklarade det i termer av kvantteori 1905, och sedan dess har fysiker accepterat det, medan ljuset kan bete sig som ett partikel är det en partikel med en karakteristisk våglängd och frekvens, och dessa mängder är relaterade till ljusets energi eller strålning.
Max Planck-relaterad fotonvåglängd till energi
Våglängdsomvandlarekvationen kommer från kvantteoriens far, den tyska fysikern Max Planck. Runt 1900 introducerade han tanken på kvanten när han studerade strålningen från en svart kropp, som är en kropp som absorberar all infallande strålning.
Kvanten hjälpte till att förklara varför en sådan kropp emitterar strålning mestadels i det elektromagnetiska spektrumet, snarare än i ultraviolett som förutspås av klassisk teori.
Plancks förklaring hävdade att ljus består av diskreta energipaket som kallas quanta, eller fotoner, och att energin bara kunde ta på sig diskreta värden, som var multiplar av en universal konstant. Konstanten, kallad Plancks konstant, representeras av bokstavenhoch har ett värde på 6,63 × 10-34 m2 kg / s eller motsvarande 6,63 × 10-34 joule-sekunder.
Planck förklarade att energin i en foton,E, var produkten av dess frekvens, som alltid representeras av den grekiska bokstaven nu (ν) och denna nya konstant. I matematiska termer:E = hν.
Eftersom ljus är ett vågfenomen kan du uttrycka Plancks ekvation i termer av våglängd, representerad av den grekiska bokstaven lambda (λ), för för varje våg är överföringshastigheten lika med dess frekvens gånger dess våglängd. Eftersom ljusets hastighet är konstant, betecknad medc, Plancks ekvation kan uttryckas som:
E = \ frac {hc} {λ}
Våglängd till energiomvandlingsekvation
En enkel omläggning av Plancks ekvation ger dig en omedelbar våglängdskalkylator för alla strålningar, förutsatt att du känner till strålningens energi. Våglängdsformeln är:
λ = \ frac {hc} {E}
Bådehochcär konstanter, så våglängden till energiomvandlingsekvationen anger i princip att våglängden är proportionell mot det inversa av energi. Med andra ord, lång våglängdsstrålning, som är ljus mot den röda änden av spektrumet, har mindre energi än kort våglängdsljus på den violetta änden av spektrumet.
Håll dina enheter raka
Fysiker mäter kvantenergi i en mängd olika enheter. I SI-systemet är de vanligaste energienheterna joule, men de är för stora för processer som sker på kvantnivå. Elektronvolt (eV) är en bekvämare enhet. Det är den energi som krävs för att accelerera en enda elektron genom en potentialskillnad på 1 volt, och den är lika med 1,6 × 10-19 joules.
De vanligaste enheterna för våglängd är ångström (Å), där 1 Å = 10-10 m. Om du känner till kvantens energi i elektronvolt är det enklaste sättet att få våglängden i ångström eller meter att först omvandla energin till joule. Du kan sedan ansluta den direkt till Plancks ekvation och använda 6,63 × 10-34 m2 kg / s för Plancks konstant (h) och 3 × 108 m / s för ljusets hastighet (c), kan du beräkna våglängden.