Csillagászat és optika

Fotonenergia nanométerből: miért nagyobb energiájú a rövidebb hullám?

Azonos fényteljesítmény mellett két különböző hullámhosszú fény fotonszáma eltérhet. Ennek oka, hogy egy foton energiáját a frekvencia, illetve a vákuumbeli hullámhossz határozza meg. A fotonenergia és a teljes fényteljesítmény két külön mennyiség, ezért az egységeiket is külön kell kezelni.

Dajka Gábor3 perc olvasás

Azonos fényteljesítmény mellett két különböző hullámhosszú fény fotonszáma eltérhet. Ennek oka, hogy egy foton energiáját a frekvencia, illetve a vákuumbeli hullámhossz határozza meg. A fotonenergia és a teljes fényteljesítmény két külön mennyiség, ezért az egységeiket is külön kell kezelni.

Egy foton energiája

A képlet E = hc/λ. A Planck-állandó h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s, a vákuumbeli fénysebesség c = 299 792 458 m/s. A hullámhosszt méterben kell behelyettesíteni: 500 nm = 5 × 10⁻⁷ m.

Ebből egy 500 nm-es foton energiája körülbelül 3,973 × 10⁻¹⁹ J. Elektronvoltban körülbelül 2,480 eV. Gyors számításhoz használható az E(eV) ≈ 1239,842 / λ(nm) összefüggés. Ez ugyanannak a képletnek az átrendezett, egységekhez igazított változata.

Mi történik kétszeres hullámhossznál?

Ezer nanométernél a fotonenergia fele az ötszáz nanométerhez tartozónak, körülbelül 1,240 eV. A kapcsolat fordított arányosság: kétszeres hullámhosszhoz fele akkora energia tartozik. Kétszeres frekvenciánál viszont kétszeres az energia, mert E = hf.

Szemléltető, ideális, egyetlen hullámhosszú 1 mW optikai teljesítménynél a másodpercenkénti fotonszám P/E. Ötszáz nanométeren ez körülbelül 2,52 × 10¹⁵ foton másodpercenként. A teljesítményt előbb wattra kell váltani: 1 mW = 0,001 W.

Az eredmény határai

A számításban optikai teljesítmény szerepel. Egy fényforrás elektromos fogyasztása ettől eltérhet. Több hullámhosszú fény esetén egyetlen hullámhossz csak választott közelítést ad. A fotonenergia önmagában nem határozza meg a fényforrás fényességét vagy biztonságosságát. A kalkulátorban a hullámhosszegységet és az eredmény J/eV jelölését ellenőrizd először.

Kapcsolódó DG Kalkulátor megnyitása

Forrás és módszertani háttér

A számpéldák saját szemléltető számítások.

Saját, végigvezetett számítási példa; a képlet és a modell feltételei a szövegben szerepelnek.

Háromkérdéses tudáspróba

Minden kérdésnél egy választ jelölj meg. A kiértékelés a cikk megértését ellenőrzi.

1. Kétszeres hullámhossznál hogyan változik a fotonenergia?

  • A) Változatlan
  • B) Kétszeres
  • C) Feleakkora

2. Mennyi 600 nm méterben?

  • A) 6 × 10⁻⁷ m
  • B) 6 × 10⁻⁴ m
  • C) 600 m

3. Mit jelent a watt a fotonszám számításánál?

  • A) A hullámhosszt
  • B) Másodpercenkénti energiát
  • C) Egy foton tömegét

Megoldások és önálló pontozás

Minden helyes válasz 1 pont. 3 pont: a három összefüggést helyesen alkalmaztad; 2 pont: nézd át a téves válaszhoz tartozó részt; 0–1 pont: számold végig újra a példát. A rövid próba kizárólag e cikk tanulságaira vonatkozik.

1. Kétszeres hullámhossznál hogyan változik a fotonenergia?

C) Feleakkora – E = hc/λ, így fordított arányosság áll fenn.

2. Mennyi 600 nm méterben?

A) 6 × 10⁻⁷ m – Egy nanométer 10⁻⁹ méter.

3. Mit jelent a watt a fotonszám számításánál?

B) Másodpercenkénti energiát – P/E ezért másodpercenkénti fotonszámot ad.

További cikkek

Kapcsolódó olvasnivalók

Gyorskereső

Kalkulátorok és útmutatók keresése

↑↓ választásEnter megnyitásEsc bezárás