Перейти до вмісту
Обране

Калькулятор енергії фотона

Оновлено:

Обчислюйте енергію фотона за його довжиною хвилі або частотою. Введіть одне з цих значень — і отримайте енергію окремого фотона в джоулях та електронвольтах, а також енергію моля фотонів у kJ/mol.

Енергія фотона за довжиною хвилі або частотою

Поля введення
λ
Довжина хвилі світла у вакуумі.
Якщо увімкнено, результат оновлюватиметься автоматично після зміни будь-якого значення.

Енергія фотона

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

Де:

  • \(E\) — енергія одного фотона (J)
  • \(h\) — стала Планка, \(6.62607015 \times 10^{-34}\) J·s (точне значення)
  • \(\nu\) — частота світла (Hz)
  • \(c\) — швидкість світла у вакуумі, \(2.99792458 \times 10^{8}\) m/s (точне значення)
  • \(\lambda\) — довжина хвилі у вакуумі (m)
  • \(N_A\) — стала Авогадро, \(6.02214076 \times 10^{23}\) mol⁻¹ (точне значення)
  • \(E_{\text{моль}}\) — енергія на моль фотонів, яку також називають одним ейнштейном (J/mol)

Це співвідношення Планка: енергія окремого фотона повністю визначається частотою (або, що те саме, довжиною хвилі) світла, оскільки \(\lambda \nu = c\).

Енергія фотона — приклад обчислення

Приклад: зелене світло з довжиною хвилі 500 nm (стандартне значення калькулятора).

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

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

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

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

Результат: кожен фотон 500 nm зеленого світла несе \(3.973 \times 10^{-19}\) J ≈ 2,48 eV, а один моль таких фотонів — приблизно 239 kJ. Це відповідає зеленій ділянці видимого спектра.

Як користуватися калькулятором

  1. У випадаючому списку Тип введення оберіть Довжина хвилі (λ) або Частота (ν) — залежно від того, яку величину ви знаєте.
  2. Якщо ви обрали довжину хвилі, введіть значення у поле Довжина хвилі (λ) і виберіть одиницю (nm, µm, mm, cm або m). Якщо частоту — введіть значення у поле Частота (ν) і виберіть одиницю (Hz, kHz, MHz, GHz або THz).
  3. На панелі результатів відображаються Енергія одного фотона у джоулях та електронвольтах, Енергія моля фотонів у kJ/mol, а також відповідне значення довжини хвилі або частоти та хвильове число в cm⁻¹.
  4. Покрокові обчислення можна переглянути на панелі Подробиці обчислення, а контекст щодо спектральної ділянки та типових орієнтирів — на панелі Про енергію фотона.

Що таке енергія фотона?

Світло поводиться і як хвиля, і як потік частинок — фотонів. Кожен фотон несе крихітний дискретний квант енергії, розмір якого залежить лише від частоти світла: вища частота (коротша довжина хвилі) означає енергійніші фотони. У цьому сутність співвідношення Планка \(E = h\nu\) — рівняння, що започаткувало квантову фізику в 1900 році й згодом принесло Ейнштейну Нобелівську премію за пояснення фотоефекту.

Енергія окремого фотона надзвичайно мала — близько \(10^{-19}\) J для видимого світла — тому її зазвичай виражають у електронвольтах (eV): 1 eV — це енергія, яку набуває електрон, долаючи різницю потенціалів 1 вольт (\(1\ \text{eV} = 1.602 \times 10^{-19}\) J). Видимі фотони охоплюють приблизно діапазон від 1,6 eV (750 nm, червоне) до 3,3 eV (380 nm, фіолетове); ультрафіолетові фотони енергійніші, а фотони гамма-випромінювання сягають мільйонів eV.

У хімії та фотохімії часто зручнішою є енергія на моль фотонів (один ейнштейн), адже вона дає змогу безпосередньо порівнювати енергію фотонів з енергіями зв’язків та енергіями активації в kJ/mol. Наприклад, УФ-випромінювання з довжиною хвилі 254 nm несе близько 471 kJ/mol — цього достатньо, щоб розірвати чимало ковалентних зв’язків, — тоді як червоне світло 700 nm дає лише близько 171 kJ/mol, що менше навіть за найслабші одинарні зв’язки O–O. Саме тому УФ-світло спричиняє сонячні опіки та фотодеструкцію, а червоне — зазвичай ні.

Зауважте: енергія фотона залежить лише від кольору (довжини хвилі) світла, а не від його яскравості. Інтенсивність визначає, скільки фотонів надходить за секунду; кожен окремий фотон завжди несе точно \(h\nu\). Якщо ви поєднуєте енергії світла з енергіями зв’язків, щоб оцінити ентальпії реакцій, дуже доречним буде наш калькулятор ентальпії реакції за енергіями зв’язків.

Довідкові значення

Довжина хвилі Діапазон Енергія (eV) Енергія (kJ/mol)
200 nm Далекий УФ 6,20 598
254 nm УФ (ртутна лампа) 4,89 471
350 nm Ближній УФ 3,54 342
450 nm Видимий (синій) 2,76 266
500 nm Видимий (зелений) 2,48 239
700 nm Видимий (межа червоного) 1,77 171

Припущення та обмеження

  • Обчислення припускає, що світло поширюється у вакуумі. Для повітря різниця несуттєва: швидкість світла в повітрі лише приблизно на 0,03 % нижча, ніж у вакуумі, тож зв’язок між довжиною хвилі та частотою для більшості цілей змінюється непомітно.
  • Сталі \(h\), \(c\) і \(N_A\) — точні значення СІ 2019 року, тож єдине джерело похибки — самі вхідні дані.
  • Довжина хвилі та частота мають стосуватися одного й того самого середовища; поєднання довжини хвилі у вакуумі з частотою в середовищі внесло б похибку, що дорівнює показнику заломлення.
  • Калькулятор розглядає світло як окремі фотони. Явища на кшталт багатофотонного поглинання (коли одночасно поглинаються два фотони нижчої енергії) — це нелінійні процеси, які простим співвідношенням Планка не описуються.
  • Порівнюючи з енергіями зв’язків, пам’ятайте: фотон має доставити принаймні енергію дисоціації зв’язку за один акт поглинання; надлишок енергії перетворюється на кінетичну енергію, тепло або флуоресценцію.

Якщо ж ви працюєте з хвильовою природою світла — наприклад, із дифракцією на кристалах, — вам також може знадобитися наш калькулятор закону Брегга для зв’язку довжини хвилі з кутами дифракції або калькулятор стандартного електрорушійного потенціалу для перетворення між електрохімічними напругами та енергіями електронів в eV.

Часті запитання

Як обчислити енергію фотона вручну?

Спочатку переведіть довжину хвилі в метри, потім розділіть на неї швидкість світла, щоб отримати частоту, і помножте результат на сталу Планка. Наприклад, для 400 nm: \(\nu = 3\times10^8 / 4\times10^{-7} = 7.5\times10^{14}\) Hz, отже \(E = 6.626\times10^{-34} \times 7.5\times10^{14} \approx 4.97\times10^{-19}\) J. Забути перевести нанометри в метри — найпоширеніша помилка; відповідь при цьому помилкова в \(10^9\) разів.

Чи є швидке правило для переведення довжини хвилі з nm в eV?

Так. Добуток \(E \cdot \lambda = hc \approx 1240\) eV·nm, тому \(E(\text{eV}) \approx 1240 / \lambda(\text{nm})\). Наприклад, 620 nm дає 2,0 eV, а 310 nm — 4,0 eV. Це зручне правило достатньо точне для повсякденної спектроскопічної роботи. Аналогічно, для kJ/mol можна скористатися формулою \(E \approx 119{,}600 / \lambda(\text{nm})\) kJ/mol.

Чи змінюється енергія фотона, коли світло проходить крізь скло чи воду?

Ні. У середовищі довжина хвилі скорочується пропорційно показнику заломлення, але частота — а отже, й енергія \(E = h\nu\) — залишається точно такою самою. Синій фотон під водою залишається синім фотоном. Саме тому спектроскопісти надають перевагу частоті або хвильовому числу, а не довжині хвилі: ці величини не залежать від середовища, тоді як значення довжини хвилі залежить від того, крізь що поширюється світло.

Чому від яскравішого світла фотони не стають енергійнішими?

Інтенсивність і енергія фотона — незалежні величини. Тьмяний лазер і сліпучий прожектор того самого кольору випромінюють однакові фотони; яскраве джерело просто надсилає їх більше щосекунди. Змінити енергію окремого фотона може лише зміна кольору (довжини хвилі). Це випливає безпосередньо з фотоефекту: нижче порогової частоти жодна кількість червоного світла не здатна вибити електрони, тоді як навіть слабке УФ-випромінювання — так.

Як перевести джоулі, електронвольти та kJ/mol між собою?

Розділіть джоулі на \(1.602\times10^{-19}\), щоб отримати eV, а щоб отримати kJ/mol — помножте на сталу Авогадро та розділіть на 1000. Зручні відповідності: 1 eV ≈ \(1.602\times10^{-19}\) J ≈ 96,49 kJ/mol, а 1 kJ/mol ≈ 0,01036 eV на фотон. Тож фотон з енергією 3 eV відповідає приблизно 290 kJ/mol — це можна порівняти з міцним хімічним зв’язком.

Що таке хвильове число і чому його використовують спектроскопісти?

Хвильове число — це кількість довжин хвилі на сантиметр, \(\tilde\nu = 1/\lambda\); його зазвичай наводять у cm⁻¹. Воно пропорційне енергії фотона: \(E = hc\tilde\nu\), причому 1 cm⁻¹ ≈ \(1.986\times10^{-23}\) J ≈ 0,01196 kJ/mol. Дослідники ІЧ- і раманівської спектроскопії віддають йому перевагу, бо воно уникає залежних від середовища значень довжини хвилі та дає лінійну шкалу енергії; наприклад, зеленому світлу 500 nm відповідає 20 000 cm⁻¹.

Чи можуть два фотони низької енергії розірвати зв’язок, який не під силу одному фотону?

Так, але лише в особливих випадках. У звичайній фотохімії кожна молекула поглинає один фотон, тому окремий фотон мусить нести принаймні енергію зв’язку. Однак при багатофотонному поглинанні — можливому за інтенсивних імпульсних лазерів — два чи більше фотонів нижчої енергії поглинаються майже одночасно, і їхні енергії додаються. Це нелінійний оптичний ефект, який просте співвідношення Планка не описує, тому не покладайтеся на нього для звичайних джерел світла.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *