Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

FotonemfotonFotonem nazywamy cząstkę przenoszącą porcję energii (kwant energii) promieniowania elektromagnetycznego. Nazwę zaproponował amerykański fizykochemik Gilbert Newton Lewis. Miała ona opisywać foton jako cząstkę transportującą energię promienistą. Według naukowca foton miał być pochłaniany i emitowany przez materię.

Dziś foton jest definiowany jako cząstka elementarna o zerowej masie spoczynkowej i ściśle określonej energii. Fotony należące do różnych obszarów widma promieniowania elektromagnetycznego mają energie różniące się od siebie nawet o kilka rzędów wielkości. Dla danej częstotliwości fali elektromagnetycznej energia ta jest iloczynem stałej Planckastała Planckastałej Plancka h i częstotliwości fali f:

E=hf

Występująca we wzorze stała Plancka jest stałą fizyczną charakterystyczną dla mikroświata. Zgodnie z ustaleniami z 16 listopada 2018 Generalnej Konferencji Miar i Wag (CGPM) jej wartość określona jest dokładnie, czyli bez niepewności, i wynosi

h=6,626070151034Js

Jednostką energii fotonu jest dżul (J), jednak bardzo często używa się alternatywnej jednostki – elektronowolta (eV). Jeden elektronowolt to energia, jaką zyskuje elektron przyspieszany napięciem równym 1 woltowi (V). Aby przeliczyć 1 eV na dżule wystarczy pomnożyć wartość ładunku elementarnego e, czyli 1,60210-19 C, przez jeden wolt: 1 eV = 1,60210-19 J.

Stałą Plancka można zatem wyrazić w eVs. Wynosi ona ok.  4,1410-15eVs.

Zgodnie z wyrażeniem f=c/ λ łączącym częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego i długość jego fali w próżni, energię fotonu można wyrazić przez

E=hc/λ.

(Literą c oznaczamy prędkość światła w próżni, równą w przybliżeniu 3108 m/s.)

RJojKmXqIKWr0
Rys. 1. Największą energię mają fotony światła fioletowego, a najmniejszą światła czerwonego.
Źródło: 彭家杰, dostępny w internecie: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:LASER.jpg [dostęp 21.02.2022 r.], licencja: CC BY 2.5.

Jak duża jest energia fotonu? Wyznaczmy dla przykładu energię fotonów emitowanych z helowo‑neonowego wskaźnika laserowego o długości fali 633 nm.

E=6,631034Js3108m/s633109m=3,141019J.

Wartość tę można zapisać w dużo wygodniejszej formie w elektronowoltach:

E=3,141019J1,6021019J/eV=1,96eV.

Typowe energie w makroświecie - np. energia kinetyczna piłki upuszczonej z wysokości 1 m, tuż przed uderzeniem w chodnik - mają wartość rzędu 1 J, a więc rzędu 1019eV. Energie fotonów są istotnie mniejsze. Porównajmy 1 J z energią procesu charakterystycznego dla mikroświata, np. energią wydzielaną podczas pełnego spalania jednej cząsteczki metanu w tlenie. Energia spalania metanu wynosi 891,6 kJ/mol, co po podzieleniu przez stałą Avogadra, czyli w przeliczeniu na jedną cząsteczkę, wynosi

E=(891,6kJ/mol)/(6,0210231/mol)=14,810-19J=9,2eV.

Otrzymana wartość jest, jak widać, tego samego rzędu, co energia fotonu emitowanego przez laser helowo‑neonowy.

Należy pamiętać, że energie fotonów zależą od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, która może przyjmować wartości od pojedynczych kHz dla fal radiowych do wielkości rzędu 1024 Hz dla promieniowania gamma. Energie fotonów mogą więc przyjmować wartości od ok. 10-12 eV do 109 eV.

Słowniczek

foton
foton

(ang. photon) – nazwa pochodzi od greckiego słowa φ ω ˜ς oznaczającego światło. Foton jest cząstką elementarną przenoszącą kwant (czyli jedną porcję) energii promieniowania elektromagnetycznego. Energia fotonu jest ściśle określona i uzależniona od częstotliwości fali elektromagnetycznej.

stała Plancka
stała Plancka

(ang. Planck constant) – jedna z podstawowych stałych fizycznych łącząca energię fotonów z częstotliwością promieniowania elektromagnetycznego. Istnienie takiej stałej zostało zapostulowane przez Plancka w ramach badań nad widmem ciała doskonale czarnego, a jej wartość oszacowana z ówczesnych danych doświadczalnych. Od 2018 roku jest przyjmowana jako dokładna i wynosząca h=6,626070151034Js