Перейти к содержанию
Избранное

Калькулятор энергии фотона

Обновлено:

Вычислите энергию фотона по его длине волны или частоте. Введите любое из двух значений — и получите энергию одного фотона в джоулях и электронвольтах, а также энергию моля фотонов в кДж/моль.

Энергия фотона по длине волны или частоте

Поля ввода
λ
Длина волны света в вакууме.
Если включено, результат будет автоматически обновляться при изменении любого значения.

Энергия фотона

Формула
\[ E = h\nu = \frac{hc}{\lambda} \qquad \nu = \frac{c}{\lambda} \qquad E_{\text{mol}} = E \cdot N_A \]

Обозначения:

  • \(E\) — энергия одного фотона (Дж)
  • \(h\) — постоянная Планка, \(6.62607015 \times 10^{-34}\) Дж·с (точное значение)
  • \(\nu\) — частота света (Гц)
  • \(c\) — скорость света в вакууме, \(2.99792458 \times 10^{8}\) м/с (точное значение)
  • \(\lambda\) — длина волны в вакууме (м)
  • \(N_A\) — постоянная Авогадро, \(6.02214076 \times 10^{23}\) моль⁻¹ (точное значение)
  • \(E_{\text{mol}}\) — энергия моля фотонов, называемая также одним эйнштейном (Дж/моль)

Это соотношение Планка: энергия отдельного фотона полностью определяется частотой света (или, что то же самое, длиной волны), поскольку \(\lambda \nu = c\).

Энергия фотона — пример расчёта

Пример: зелёный свет с длиной волны 500 нм (значение по умолчанию в калькуляторе).

\[ \lambda = 500\ \text{nm} = 5.00 \times 10^{-7}\ \text{m} \]

\[ \nu = \frac{c}{\lambda} = \frac{2.99792458 \times 10^{8}}{5.00 \times 10^{-7}} = 5.996 \times 10^{14}\ \text{Hz} \approx 599.6\ \text{THz} \]

\[ E = h\nu = 6.62607015 \times 10^{-34} \times 5.996 \times 10^{14} = 3.973 \times 10^{-19}\ \text{J} \]

\[ E = \frac{3.973 \times 10^{-19}}{1.602176634 \times 10^{-19}} \approx 2.48\ \text{eV} \qquad E_{\text{mol}} = 3.973 \times 10^{-19} \times 6.02214076 \times 10^{23} \approx 239\ \text{kJ/mol} \]

Результат: каждый фотон света с длиной волны 500 нм несёт \(3.973 \times 10^{-19}\) Дж ≈ 2,48 эВ, а один моль таких фотонов — около 239 кДж. Это зелёная область видимого спектра.

Как пользоваться калькулятором

  1. В выпадающем списке Тип входных данных выберите Длина волны (λ) или Частота (ν) — в зависимости от того, какая величина вам известна.
  2. Если вы выбрали длину волны, введите значение в поле Длина волны (λ) и укажите единицу измерения (нм, мкм, мм, см или м). Если частоту — введите значение в поле Частота (ν) и выберите единицу (Гц, кГц, МГц, ГГц или ТГц).
  3. В панели результатов отображаются энергия одного фотона в джоулях и электронвольтах, энергия моля фотонов в кДж/моль, а также complementary длина волны или частота и волновое число в см⁻¹.
  4. Пошаговое вычисление приведено в панели Подробности расчёта, а справка о спектральной области и характерных ориентирах — в панели Об энергии фотона.

Что такое энергия фотона?

Свет ведёт себя и как волна, и как поток частиц, называемых фотонами. Каждый фотон несёт крошечный дискретный «порция» энергии, величина которой зависит только от частоты света: чем выше частота (то есть короче длина волны), тем энергичнее фотоны. В этом суть соотношения Планка \(E = h\nu\) — уравнения, положившего начало квантовой физике в 1900 году; позже объяснение фотоэффекта на его основе принесло Эйнштейну Нобелевскую премию.

Энергия одного фотона ничтожно мала — для видимого света порядка \(10^{-19}\) Дж, — поэтому её принято выражать в электронвольтах (эВ): 1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 вольт (\(1\ \text{eV} = 1.602 \times 10^{-19}\) Дж). Фотоны видимого света лежат примерно в диапазоне от 1,6 эВ (750 нм, красный) до 3,3 эВ (380 нм, фиолетовый); ультрафиолетовые фотоны ещё энергичнее, а фотоны гамма-излучения достигают миллионов эВ.

В химии и фотохимии зачастую удобнее оперировать энергией моля фотонов (одним эйнштейном): она позволяет напрямую сравнивать энергию фотонов с энергиями химических связей и энергиями активации в кДж/моль. Например, УФ-излучение с длиной волны 254 нм несёт около 471 кДж/моль — этого достаточно, чтобы разорвать многие ковалентные связи, — тогда как красный свет 700 нм даёт лишь около 171 кДж/моль, что меньше даже самых слабых одинарных связей O–O. Именно поэтому УФ-свет вызывает солнечные ожоги и фотодеструкцию, а красный, как правило, нет.

Обратите внимание: энергия фотона зависит только от цвета (длины волны) света, но не от его яркости. Интенсивность определяет, сколько фотонов приходит в секунду, а каждый отдельный фотон всегда несёт ровно \(h\nu\). Если вы собираетесь сочетать энергии света с энергиями связей для оценки энтальпий реакций, вам пригодится наш калькулятор энтальпии реакции по энергиям связей.

Справочные значения

Длина волны Область спектра Энергия (эВ) Энергия (кДж/моль)
200 нм Дальний УФ 6,20 598
254 нм УФ (ртутная лампа) 4,89 471
350 нм Ближний УФ 3,54 342
450 нм Видимый (синий) 2,76 266
500 нм Видимый (зелёный) 2,48 239
700 нм Видимый (красная граница) 1,77 171

Допущения и ограничения

  • Расчёт предполагает, что свет распространяется в вакууме. Для воздуха разница пренебрежимо мала: скорость света в воздухе лишь на 0,03% меньше, чем в вакууме, что практически не меняет соответствие между длиной волны и частотой.
  • Постоянные \(h\), \(c\) и \(N_A\) взяты как точные значения СИ 2019 года, поэтому единственный источник неточности — сами входные данные.
  • Длина волны и частота должны относиться к одной и той же среде; если смешать длину волны в вакууме с частотой внутри среды, появится погрешность, равная показателю преломления.
  • Калькулятор рассматривает свет как отдельные фотоны. Такие явления, как многофотонное поглощение (когда два фотона с меньшей энергией поглощаются вместе), — нелинейные процессы, которые простое соотношение Планка не описывает.
  • Сравнивая энергию фотона с энергией связи, помните: фотон должен доставить как минимум энергию диссоциации связи за одно поглощение; избыток энергии переходит в кинетическую энергию, теплоту или флуоресценцию.

Если же вы работаете с волновой природой света — например, с дифракцией на кристаллах, — вам может пригодиться наш калькулятор закона Брэгга, связывающий длину волны с углами дифракции, а для перевода между электрохимическими напряжениями и энергиями электронов в эВ — калькулятор стандартного электродного потенциала.

Часто задаваемые вопросы

Как вычислить энергию фотона вручную?

Сначала переведите длину волны в метры, затем разделите на неё скорость света, чтобы получить частоту, и умножьте результат на постоянную Планка. Например, для 400 нм: \(\nu = 3\times10^8 / 4\times10^{-7} = 7.5\times10^{14}\) Гц, значит \(E = 6.626\times10^{-34} \times 7.5\times10^{14} \approx 4.97\times10^{-19}\) Дж. Самая частая ошибка — забыть перевести нанометры в метры; из-за неё ответ оказывается неверным в \(10^9\) раз.

Есть ли быстрый способ перевести длину волны в нанометрах в эВ?

Да. Произведение \(E \cdot \lambda = hc \approx 1240\) эВ·нм, поэтому \(E(\text{eV}) \approx 1240 / \lambda(\text{nm})\). Например, 620 нм дают 2,0 эВ, а 310 нм — 4,0 эВ. Это удобное правило достаточно точно для повседневной спектроскопической работы. Аналогично для кДж/моль можно пользоваться формулой \(E \approx 119{,}600 / \lambda(\text{nm})\) кДж/моль.

Меняется ли энергия фотона при прохождении света через стекло или воду?

Нет. В среде длина волны укорачивается пропорционально показателю преломления, но частота — а значит, и энергия \(E = h\nu\) — остаётся в точности той же. Синий фотон под водой остаётся синим фотоном. Именно поэтому спектроскописты предпочитают частоту или волновое число длине волны: эти величины не зависят от среды, тогда как значение длины волны определяется тем, через что распространяется свет.

Почему у более яркого света фотоны не энергичнее?

Интенсивность и энергия фотона — независимые величины. Слабый лазер указка и слепящий прожектор одного цвета испускают совершенно одинаковые фотоны; яркий источник просто посылает их больше в секунду. Энергию отдельного фотона меняет только цвет (длина волны). Это прямо следует из фотоэффекта: ниже пороговой частоты никакое количество красного света не выбивает электроны, тогда как даже слабый УФ-свет — выбивает.

Как перевести джоули в электронвольты и кДж/моль и обратно?

Разделите джоули на \(1.602\times10^{-19}\), чтобы получить эВ, а чтобы получить кДж/моль — умножьте на постоянную Авогадро и разделите на 1000. Полезные соотношения: 1 эВ ≈ \(1.602\times10^{-19}\) Дж ≈ 96,49 кДж/моль, а 1 кДж/моль ≈ 0,01036 эВ на фотон. Так, фотон с энергией 3 эВ соответствует примерно 290 кДж/моль — величине, сравнимой с прочной химической связью.

Что такое волновое число и почему его используют спектроскописты?

Волновое число — это количество длин волн на сантиметр, \(\tilde\nu = 1/\lambda\); его принято выражать в см⁻¹. Оно пропорционально энергии фотона: \(E = hc\tilde\nu\), причём 1 см⁻¹ ≈ \(1.986\times10^{-23}\) Дж ≈ 0,01196 кДж/моль. Специалисты по ИК- и рамановской спектроскопии любят его за то, что оно не зависит от среды и даёт линейную шкалу энергии: например, зелёному свету 500 нм соответствует 20 000 см⁻¹.

Могут ли два малоэнергичных фотона разорвать связь, которую не может разорвать один?

Да, но только в особых случаях. В обычной фотохимии каждая молекула поглощает один фотон, поэтому отдельный фотон должен нести как минимум энергию связи. Однако при многофотонном поглощении — возможном с мощными импульсными лазерами — два и более фотона с меньшей энергией поглощаются почти одновременно, и их энергии складываются. Это нелинейный оптический эффект, который простое соотношение Планка не описывает, так что не стоит рассчитывать на него применительно к обычным источникам света.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *