Hur stor är energin i en enda foton?

Detta är en bra fråga som visar den tydliga tvetydigheten i definitionen av en foton - trots att den ges i en mycket bestämd och enkel relation - Planck-formeln. Fotonenergin ges av Planck-formeln som; E = hf, där h är Planck konstant och f är frekvens. Eftersom f kan vara vad som helst ser vi att en fotonenergi verkligen inte är en konstant. För varje färg i spektrumet eller frekvensen motsvarar det en annan fotonenergi. Blå färger och högre frekvenser är mycket energiska eller har mycket mer energi än en rödfärgad foton. Om du har n fotoner är En = nhf. Detta är oberoende av intensitet eller typ av källa som producerade foton, vare sig solen eller det lilla ljuset.

Nu eftersom c = λf har vi för en foton E = hc / λ. Således är en foton energi omvänt proportionell mot våglängden λ. För små våglängder (hög frekvens) är energin för en foton högre. Det är en foton med kortare våglängder som har en mycket högre energipackning eller energitäthet per rumsavstånd. Detta är uppenbarligen svårt att förstå ett faktum.

För att få en bättre känsla för foton måste man titta på processen som producerade den. Fotoner och strålning genereras generellt genom utsläppsprocesser. Utsläpp sker när elektroner bromsas upp. Om man rör sig längs en linje är spektrumet "kontinuerligt" och innehåller alla frekvenser, vilket inte är särskilt användbart här. Men utsläpp från plötslig retardation av elektroner som går ut ur en liten energibana till en större i atomer, har mycket nära ett enda frekvensspektrum - utsläppslinjerna. Här ger E = hf en enda frekvens och en motsvarande enskild energi för en foton. Varje skarp linje i strålningsspektrumet motsvarar ett sådant hopp, och varje mörk linje motsvarar absorption och rör sig till en högre energibana.

Det är här också där det blir uppenbart varför en mindre våglängd packar mycket mer energi än en större våglängd. När banan är mycket nära kärnan måste den gå i mycket höga hastigheter för att ha tillräckligt med centrifugalkraft för att förhindra att den fångas av kärnan. En sådan bana motsvarar en mindre våglängd (mindre omkrets) och motsvarar samtidigt en mycket hög 'kinetisk' energi. Ju längre du går från kärnan, desto mindre är den kinetiska energin och förändringarna i den, och ju större banan resulterar i fotoner med större våglängder och mindre energi hoppar för att gå in i strålning.

Ibland har vi våglängder i kilometer som för radiovågor. Dessa inträffar när elektroner oscillerar / accelererar längs mycket långa vägar ... som en lång antennledning till exempel eller långa vibrationsvägar och perioder i komplexa laddade materiestrukturer. Frågan som är värt att ställa här är; varför behöver vi då foton om den är så löst definierad. Svaret är att det är en mycket bekväm energivaluta - mycket som används inom materialvetenskap där energiutbyte är huvudämnet för denna disciplin. I själva verket är det så användbart / nödvändigt att om du meddelar ett förbud mot användning av fotoner kommer material- och fotonikavdelningar runt om i världen att meddela en avstängning nästa dag.

Vissa har tanken att fotonenergin är diskret. Detta är inte sant i allmänhet och produkten hf kan vara vad som helst f kan vara vad som helst. Det är inte ens multiplar av h, eftersom f till exempel kan vara en bråkdel som 0.1 Hz. Den energi som utbyts mellan atomer är dock kvantiserad / diskret och detta visas med högupplösta absorptions- och utsläppslinjer i spektrumet. Detta är en direkt följd av de absolut fasta energinivåerna runt vilken atom som helst.

Lämna en kommentar