Przejdź do treści
Ulubione

Kalkulator energii fotonu

Zaktualizowano:

Oblicz energię fotonu na podstawie jego długości fali lub częstotliwości. Wpisz dowolną z tych wielkości, a otrzymasz energię pojedynczego fotonu w dżulach i elektronowoltach, a także energię mola fotonów w kJ/mol.

Energia fotonu z długości fali lub częstotliwości

Pola danych
λ
Długość fali światła w próżni.
Po włączeniu wynik aktualizuje się automatycznie po zmianie dowolnej wartości.

Energia fotonu

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

gdzie:

  • \(E\) — energia pojedynczego fotonu (J)
  • \(h\) — stała Plancka, \(6.62607015 \times 10^{-34}\) J·s (dokładna)
  • \(\nu\) — częstotliwość światła (Hz)
  • \(c\) — prędkość światła w próżni, \(2.99792458 \times 10^{8}\) m/s (dokładna)
  • \(\lambda\) — długość fali w próżni (m)
  • \(N_A\) — stała Avogadra, \(6.02214076 \times 10^{23}\) mol⁻¹ (dokładna)
  • \(E_{\text{mol}}\) — energia jednego mola fotonów, zwana także jednym einsteinem (J/mol)

To związek Plancka: energia pojedynczego fotonu jest w całości wyznaczona przez częstotliwość (czyli równoważnie przez długość fali) światła, ponieważ \(\lambda \nu = c\).

Energia fotonu – przykład obliczenia

Przykład: zielone światło o długości fali 500 nm (domyślna wartość w kalkulatorze).

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

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

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

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

Wynik: każdy foton światła o długości fali 500 nm niesie \(3.973 \times 10^{-19}\) J ≈ 2,48 eV, a jeden mol takich fotonów — około 239 kJ. To okolice zielonej części widma widzialnego.

Jak korzystać z kalkulatora

  1. Na liście rozwijanej Typ danych wejściowych wybierz Długość fali (λ) lub Częstotliwość (ν), w zależności od tego, którą wielkość znasz.
  2. Jeśli wybrałeś długość fali, wpisz wartość w pole Długość fali (λ) i wybierz jednostkę (nm, µm, mm, cm lub m). Jeśli wybrałeś częstotliwość, wpisz wartość w pole Częstotliwość (ν) i wybierz jednostkę (Hz, kHz, MHz, GHz lub THz).
  3. Panel wyników pokazuje Energię pojedynczego fotonu w dżulach i elektronowoltach, Energię mola fotonów w kJ/mol, a dodatkowo uzupełniającą długość fali lub częstotliwość oraz liczbę falową w cm⁻¹.
  4. Zajrzyj do panelu Szczegóły obliczeń, aby zobaczyć obliczenia krok po kroku, oraz do panelu O energii fotonu, w którym znajdziesz informacje o zakresie widmowym i typowych wartościach odniesienia.

Czym jest energia fotonu?

Światło zachowuje się jednocześnie jak fala i jak strumień cząstek zwanych fotonami. Każdy foton niesie maleńką, skwantowaną porcję energii, której wielkość zależy wyłącznie od częstotliwości światła: wyższa częstotliwość (krótsza długość fali) oznacza bardziej energetyczne fotony. Taka jest istota związku Plancka \(E = h\nu\) — równania, które w 1900 roku zapoczątkowało fizykę kwantową, a później przyniosło Einsteinowi Nagrodę Nobla za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego.

Energia pojedynczego fotonu jest niezwykle mała — dla światła widzialnego rzędu \(10^{-19}\) J — dlatego zwykle podaje się ją w elektronowoltach (eV), gdzie 1 eV to energia, jaką uzyskuje elektron, przechodząc przez różnicę potencjałów 1 wolta (\(1\ \text{eV} = 1.602 \times 10^{-19}\) J). Fotony światła widzialnego mają mniej więcej od 1,6 eV (750 nm, czerwień) do 3,3 eV (380 nm, fiolet); fotony ultrafioletowe są jeszcze bardziej energetyczne, a fotony promieniowania gamma osiągają miliony eV.

W chemii i fotochemii często bardziej przydatna okazuje się energia mola fotonów (jeden einstein), ponieważ pozwala wprost porównywać energię fotonów z energiami wiązań i energiami aktywacji w kJ/mol. Na przykład światło UV o długości fali 254 nm dostarcza około 471 kJ/mol — wystarczająco, aby rozerwać wiele wiązań kowalencyjnych — podczas gdy czerwone światło 700 nm dostarcza zaledwie około 171 kJ/mol, czyli mniej nawet niż najsłabsze pojedyncze wiązania O–O. Dlatego to promieniowanie UV powoduje oparzenia słoneczne i fotodegradację, a czerwone światło na ogół nie.

Zwróć uwagę, że energia fotonu zależy wyłącznie od barwy (długości fali) światła, nigdy od jego jasności. Intensywność określa, ile fotonów dociera na sekundę; każdy pojedynczy foton zawsze niesie dokładnie \(h\nu\). Jeśli łączysz energię światła z energiami wiązań, aby szacować entalpie reakcji, naturalnym uzupełnieniem tego narzędzia będzie nasz kalkulator entalpii reakcji na podstawie energii wiązań.

Wartości odniesienia

Długość fali Zakres Energia (eV) Energia (kJ/mol)
200 nm daleki UV 6,20 598
254 nm UV (lampa rtęciowa) 4,89 471
350 nm bliski UV 3,54 342
450 nm widzialny (niebieski) 2,76 266
500 nm widzialny (zielony) 2,48 239
700 nm widzialny (skraj czerwieni) 1,77 171

Założenia i ograniczenia

  • Obliczenia zakładają, że światło rozchodzi się w próżni. Dla powietrza różnica jest pomijalna — prędkość światła w powietrzu jest tylko o około 0,03% mniejsza niż w próżni, co zmienia przyporządkowanie długości fali do częstotliwości w sposób niezauważalny w większości zastosowań.
  • Stałe \(h\), \(c\) i \(N_A\) mają dokładne wartości SI z 2019 roku, więc jedynym źródłem niedokładności są same dane wejściowe.
  • Długość fali i częstotliwość muszą odnosić się do tego samego ośrodka; połączenie długości fali w próżni z częstotliwością w ośrodku wprowadziłoby błąd równy współczynnikowi załamania.
  • Kalkulator traktuje światło jako pojedyncze fotony. Efekty takie jak absorpcja wielofotonowa (gdzie jednocześnie pochłaniane są dwa fotony o niższej energii) to procesy nieliniowe, których prosty wzór Plancka nie obejmuje.
  • Porównując energię fotonów z energiami wiązań, pamiętaj, że foton musi dostarczyć co najmniej energię dysocjacji wiązania w pojedynczym akcie absorpcji; nadwyżka energii zamienia się w energię kinetyczną, ciepło lub fluorescencję.

Jeśli zajmujesz się raczej falową naturą światła — na przykład dyfrakcją na kryształach — przyda Ci się również nasz kalkulator prawa Bragga, pozwalający powiązać długość fali z kątami dyfrakcji, albo kalkulator standardowego potencjału ogniwa, gdy przeliczasz napięcia elektrochemiczne na energie elektronów w eV.

Najczęściej zadawane pytania

Jak obliczyć energię fotonu ręcznie?

Najpierw przelicz długość fali na metry, potem podziel przez nią prędkość światła, aby uzyskać częstotliwość, i pomnóż przez stałą Plancka. Na przykład dla 400 nm: \(\nu = 3\times10^8 / 4\times10^{-7} = 7.5\times10^{14}\) Hz, zatem \(E = 6.626\times10^{-34} \times 7.5\times10^{14} \approx 4.97\times10^{-19}\) J. Najczęstszym błędem jest zapomnienie o przeliczeniu nanometrów na metry — wynik jest wtedy błędny o czynnik \(10^9\).

Czy istnieje szybki sposób na przeliczenie długości fali w nm na eV?

Tak. Iloczyn \(E \cdot \lambda = hc \approx 1240\) eV·nm, zatem \(E(\text{eV}) \approx 1240 / \lambda(\text{nm})\). Na przykład 620 nm daje 2,0 eV, a 310 nm — 4,0 eV. Ta praktyczna reguła jest wystarczająco dokładna do codziennej pracy spektroskopowej. Podobnie, dla kJ/mol można skorzystać z zależności \(E \approx 119{,}600 / \lambda(\text{nm})\) kJ/mol.

Czy energia fotonu zmienia się, gdy światło przechodzi przez szkło lub wodę?

Nie. W ośrodku długość fali skraca się o współczynnik załamania, ale częstotliwość — a więc i energia \(E = h\nu\) — pozostaje dokładnie taka sama. Niebieski foton pod wodą pozostaje niebieskim fotonem. Dlatego spektroskopiści wolą częstotliwość lub liczbę falową od długości fali: te wielkości nie zależą od ośrodka, podczas gdy wartość długości fali zależy od tego, przez co rozchodzi się światło.

Dlaczego jaśniejsze światło nie ma bardziej energetycznych fotonów?

Intensywność i energia fotonu to wielkości niezależne. Przygaszony wskaźnik laserowy i oślepiający reflektor o tej samej barwie emitują identyczne fotony; jaśniejsze źródło wysyła ich po prostu więcej na sekundę. Energia pojedynczego fotonu zmienia się dopiero wraz ze zmianą barwy (długości fali). Wynika to wprost z efektu fotoelektrycznego: poniżej częstotliwości progowej żadna ilość czerwonego światła nie wybije elektronów, podczas gdy nawet słabe światło ultrafioletowe może to zrobić.

Jak przeliczać dżule, elektronowolty i kJ/mol?

Podziel dżule przez \(1.602\times10^{-19}\), aby uzyskać eV, a następnie pomnóż przez stałą Avogadra i podziel przez 1000, aby uzyskać kJ/mol. Przydatne równoważności: 1 eV ≈ \(1.602\times10^{-19}\) J ≈ 96,49 kJ/mol, a 1 kJ/mol ≈ 0,01036 eV na foton. Zatem foton o energii 3 eV odpowiada mniej więcej 290 kJ/mol — czyli tyle, co silne wiązanie chemiczne.

Czym jest liczba falowa i dlaczego używają jej spektroskopiści?

Liczba falowa to liczba długości fal na centymetr, \(\tilde\nu = 1/\lambda\), zwykle podawana w cm⁻¹. Jest proporcjonalna do energii fotonu: \(E = hc\tilde\nu\), przy czym 1 cm⁻¹ ≈ \(1.986\times10^{-23}\) J ≈ 0,01196 kJ/mol. Spektroskopiści w podczerwieni i ramanowskiej wolą tę wielkość, ponieważ unika ona zależnych od ośrodka wartości długości fali i daje liniową skalę energii; np. zielone światło o długości fali 500 nm odpowiada 20 000 cm⁻¹.

Czy dwa fotony o niskiej energii mogą rozerwać wiązanie, którego nie rozerwie jeden foton?

Tak, ale tylko w szczególnych przypadkach. W zwykłej fotochemii każda cząsteczka pochłania jeden foton, więc pojedynczy foton musi przenosić co najmniej energię wiązania. Jednak przy absorpcji wielofotonowej — możliwej przy silnych laserach impulsowych — dwa lub więcej fotonów o niższej energii pochłanianych jest niemal jednocześnie, a ich energie się sumują. To nieliniowy efekt optyczny, którego prosty wzór Plancka nie opisuje, więc nie należy na nim polegać przy typowych źródłach światła.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *