Как найти энергию кванта с частотой излучения

Фотон

Фотон — это частица света или квант света; частица с которой можно делать расчёты.

Фотоны всегда находятся в движении и в вакууме движутся с постоянной скоростью 2,998 x 10^8 м/с (это называется скоростью света и обозначается буквой c).

В марте 1905 года Эйнштейн создал квантовую теорию света, это была идея о том, что свет существует в виде крошечных частиц, которые он назвал фотонами.

Позже в том же году была расширена специальная теория относительности, в которой Эйнштейн доказал, что энергия (E) и материя (масса – m) связаны, и это соотношение стало самым знаменитым в физике: E=mc²; (напомним: c — скорость света).

Формулы фотона

Эти формулы являются наиболее важными.

Формула энергии кванта/фотона (формула Планка или Энергия кванта)

Энергия — это постоянная Планка, умноженная на частоту колебаний

E = h×v

Где:

• E — энергия фотона/кванта (в Дж – джоуль),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц).

Масса фотона

m = hv/c² = h/cλ

Где:

• m — масса фотона (в кг),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• λ — длина световой волны (в метрах).

Примечание:

Фотоны всегда движутся со скоростью света. В состоянии покоя фотоны не существуют (т.е. можно сказать, что масса покоя равна нулю).

Формула массы фотона (m = h/cλ) была выведена из формулы эквивалентности массы и энергии (E = mc²), при этом было использовано также равенство с энергией Кванта (E = h×v).

Импульс фотона

p = hv/c = h/λ

Где:

• p — импульс фотона (в Н•с – ньютон-секунда),
• h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• λ — длина световой волны (в метрах).

Длина волны света, период и частота

Это ещё одно соотношение, которое может быть полезным в расчётах.

λ = cT = c/v

Где:

• λ — длина световой волны (в метрах),
• c = 3.10^8 (это скорость света в м/с),
• T — период световых колебаний (в секундах),
• ν — частота колебаний света (в Гц – герц).

Пример решения задачи с данными формулами

Определите энергию фотонов красного (λк = 0,76 мкм) света.

Известно:

λк = 0,76 мкм = 0,76 × 10^(–6) м

Решение:

Формула энергии фотонов: E = h×v

Где:

h — постоянная Планка,

v — частота света; из равенства λ = c/v выходит, что v = с/λ.

Таким образом, составляем равенство:

E = h × (с/λ) = hc / λ

Вспоминаем другие данные:

c = 3.10^8 (это скорость света в м/с)

h = 6,6.10^(–34) (постоянная Планка, в Дж.с – джоуль в секунду)

E = hc / λ = ((6,6.10^(–34) Дж.с) × (3.10^8 м/с)) / (0,76 × 10^(–6) м) = 2,6 × 10^(–19) Дж

Фотон является волной?

Фотон является одновременно частицей и волной. Согласно квантовой теории света Эйнштейна, энергия фотонов (E) равняется их частоте колебаний (v), умноженной на постоянную Планка (h); т.е. эта формула выглядит так: E = h×v.

Так он доказал, что:

• свет — это поток фотонов,
• энергия этих фотонов — это высота их частоты колебаний,
• интенсивность света соответствует количеству фотонов.

Таким образом, учёный объяснил, что поток фотонов действует и как волна, и как частица.

Узнайте также про:

• Нейтрино
• Теорию относительности
• Магнитную индукцию
• Полимер
• Теорию струн

Энергия фотона (кванта света) пропорциональна частоте его излучения.
Для вычисления энергии используют формулу Планка.
Eф = hν = hc/λ - энергия фотона, Дж (Джоуль)
p=E/c= hν/c = h/λ - импульс фотона, кг∙м/с
v — частота, Гц (Герц)
λ — длина волны, м (метр)
h — постоянная Планка, h=6.63∙10-34Дж∙с
с — скорость света, с=3∙108м/с



Согласно гипотезе Макса Планка, электромагнитная энергия излучается и поглощается отдельными порциями — квантами. Фотон — это элементарная частица, квант электромагнитного излучения.
Фотоны обозначаются буквой — γ, поэтому их часто называют гамма-квантами.

В современной физике, фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия, фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Таблица диапазонов электромагнитных волн.

Задача 57.
Определить энергию фотонов, соответствующих наиболее длинным (λ=760нм) и наиболее коротким (λ=380 нм) волнам видимой части спектра.

Показать ответ

Энергия кванта.

 Главный
параметр, определяющий энергию волны, —
это ее амплитуда (точнее, квадрат
амплитуды). В случае света амплитуда
определяет интенсивность излучения.
Однако при изучении явления фотоэффекта —
выбивания светом электронов из металла —
обнаружилось, что энергия выбитых
электронов не связана с интенсивностью
(амплитудой) излучения, а зависит только
от его частоты. Оказалось,
что энергия в электромагнитной волне
раздроблена на порции, получившие
название квантов. Энергия кванта
электромагнитного излучения фиксирована
и равна E = hν,
где h =
4·10^-15 эВ·с =
6·10^-34 Дж·с —
постоянная Планка. Энергию квантов в
физике принято выражать в электрон-вольтах.
От энергии квантов напрямую зависит
способность излучения производить
определенное воздействие на вещество.

Формула
Планка —
выражение для спектральной плотности
мощности излучения абсолютно чёрного
тела, которое было получено Максом
Планком.
Для плотности энергии излучения u(ω,T):

Формула
Планка была получена после того, как
стало ясно, что формула Рэлея
— Джинса удовлетворительно
описывает излучение только в области
длинных волн. Для вывода формулы Планк
сделал предположение о том, что
электромагнитное излучение испускается
в виде отдельных порций энергии (квантов),
величина которых связана с частотой
излучения выражением:

Коэффициент
пропорциональности 
 впоследствии
назвали постоянной
Планка, 
 =
1.054 · 10⁻²⁷ эрг·с.

2

51.Фотоэффект. Законы фотоэффекта.

Фотоэффе́кт —
это испускание электронов веществом
под действием света (и,
вообще говоря, любого электромагнитного
излучения).
В конденсированных веществах (твёрдых
и жидких) выделяют внешний и внутренний
фотоэффект.

Внешний фотоэффект

Внешним
фотоэффектом (фотоэлектронной
эмиссией)
называется испускание электронов
веществом под действием электромагнитных
излучений. Электроны, вылетающие из
вещества при внешнем фотоэффекте,
называются фотоэлектронами,
а электрический
ток,
образуемый ими при упорядоченном
движении во внешнем электрическом поле,
называетсяфототоком.

Фотокатод —
электрод вакуумного электронного
прибора, непосредственно подвергающийся
воздействию электромагнитных излучений
и эмитирующий электроны под действием
этого излучения.

Зависимость
спектральной чувствительности от
частоты или длины волны электромагнитного
излучения называют спектральной
характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта

1. Закон
   Столетова: при неизменном спектральном составе
   электромагнитных излучений, падающих
   на фотокатод, фототок насыщения
   пропорционален энергетической
   освещенности катода (иначе:
   число фотоэлектронов, выбиваемых из
   катода за 1 с, прямо пропорционально
   интенсивности излучения):

   
    и 

2. Максимальная
   начальная скорость фотоэлектронов не
   зависит от интенсивности падающего
   света, а определяется только его
   частотой.

3. Для
   каждого вещества существует красная
   граница фотоэффекта,
   то есть минимальная частота ν₀ света
   (зависящая от химической природы
   вещества и состояния поверхности), ниже
   которой фотоэффект невозможен.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Фотоны

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: фотоны, энергия фотона, импульс фотона.

В результате исследования явлений, связанных с взаимодействием света и вещества (тепловое излучение и фотоэффект), физики пришли к выводу, что свет состоит из отдельных порций энергии — фотонов. Излучение света, его распространение и поглощение происходит строго этими порциями.

Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества (скажем, с электронами или атомами). При этом мы говорим о столкновении фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения — свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества — так происходит поглощение света.

Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому — наряду с электроном, протоном, нейтроном и некоторыми другими частицами — причислен к разряду элементарных частиц.

к оглавлению ▴

Энергия фотона

Выражение для энергии фотона с частотой мы уже знаем:

(1)

Часто бывает удобно работать не с обычной частотой , а с циклической частотой .

Тогда вводят другую постоянную Планка «аш с чертой»:

Дж · с.

Выражение (1) для энергии фотона примет вид:

Фотон движется в вакууме со скоростью света и потому является релятивистской частицей: описывая фотон, мы должны привлекать формулы теории относительности. А там имеется такая формула для энергии тела массы , движущегося со скоростью :

(2)

Если предположить, что , то формула (2) приводит к бессмысленному заключению: энергия фотона должна быть бесконечной. Чтобы избежать этого противоречия, остаётся признать, что масса фотона равна нулю. Формула (2) позволяет сделать и более общий вывод: только безмассовая частица может двигаться со скоростью света.

к оглавлению ▴

Импульс фотона

Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом. Действительно, важнейшая формула теории относительности даёт связь энергии и импульса частицы:

(3)

Для фотона, имеющего нулевую массу, эта формула сводится к простому соотношению:

Отсюда для импульса фотона получаем:

(4)

Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча.

Учитывая, что отношение есть длина волны , формулу (4) можно переписать так:

(5)

В видимом диапазоне наименьшими значениями энергии и импульса обладают фотоны красного света — у них самая маленькая частота (и самая большая длина волны). При движении в сторону фиолетового участка спектра энергия и импульс фотона линейно возрастают с частотой.

к оглавлению ▴

Давление света

Свет оказывает давление на освещаемую поверхность. Такой вывод был сделан Максвеллом из теоретических соображений и получил экспериментальное подтверждение в знаменитых опытах П.Н. Лебедева. Если понимать
свет как поток фотонов, обладающих импульсом , то можно легко объяснить давление света и вывести формулу Максвелла.

Предположим, что на некоторое тело падает свет частоты . Лучи направлены перпендикулярно поверхности тела; площадь освещаемой поверхности равна (рис. 1).

Рич. 1. Давление света

Пусть — концентрация фотонов падающего света, то есть число фотонов в единице объёма.

За время на нашу поверхность попадают фотоны, находящиеся внутри цилиндра высотой .

Их число равно:

При падении света на поверхность тела часть световой энергии отражается, а часть — поглощается. Пусть — коэффициент отражения света; величина показывает, какая часть световой энергии отражается от поверхности. Соответственно, величина — это доля падающей энергии, поглощаемая телом.

Как мы теперь знаем, энергия света пропорциональна числу фотонов. Поэтому можно написать, какое количество фотонов (из общего числа ) отразится от поверхности, а какое — поглотится ею:

Импульс каждого падающего фотона равен . Поглощённый фотон испытывает неупругое столкновение с телом и передаёт ему импульс . Отражённый фотон после упругого столкновения меняет направление своего импульса на противоположное, и поэтому импульс, переданный телу отражённым фотоном, равен .

Таким образом, от каждого фотона, входящего в световой поток, тело получает некоторый импульс. Вот простая и очевидная причина того, что свет оказывает давление на освещаемую поверхность.

Суммарный импульс, полученный телом от падающих фотонов, равен:

На нашу поверхность действует сила , равная импульсу, полученному телом в единицу времени:

Давление света есть отношение этой силы к площади освещаемой поверхности:

(6)

Выражение имеет простой физический смысл: будучи произведением энергии фотона на число фотонов в единице объёма, оно равно энергии света в единице объёма, то есть объёмной плотности энергии . Тогда соотношение (6) приобретает вид:

Это и есть формула для давления света, теоретически выведенная Максвеллом (в рамках классической электродинамики) и экспериментально проверенная в опытах Лебедева.

к оглавлению ▴

Двойственная природа света

В результате рассмотрения всей совокупности оптических явлений возникает естественный вопрос: что же такое свет? Непрерывно распределённая в пространстве электромагнитная волна или поток отдельных частиц — фотонов? Теория и эксперименты приводят к заключению, что оба ответа должны быть утвердительными.

1. Явления интерференции и дифракции света, характерные для любых волновых процессов, не оставляют сомнений в том, что свет есть форма волнового движения материи.

Таким образом, мы должны признать: да, свет имеет волновую природу, свет — это электромагнитная волна.

2. Однако явления взаимодействия света и вещества (например, фотоэффект) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Эти частицы — фотоны — ведут, так сказать, самостоятельный образ жизни, обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Излучение света — это рождение фотонов.

Распространение света — это движение фотонов в пространстве. Отражение и поглощение света — это соответственно упругие и неупругие столковения фотонов с частицами вещества.

Все попытки истолковать указанные явления излучения и поглощения света в рамках волновых представлений классической физики окончились неудачей. Оставалось лишь согласиться с тем, что свет имеет корпускулярную природу (от латинского слова corpusculum — маленькое тельце, частица), свет — это совокупность фотонов, мчащихся в пространстве.

Таким образом, свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу — он может проявлять себя то так, то эдак. В одних явлениях (интерференция, дифракция) на передний план выходит волновая природа, и свет ведёт себя в точности как волна. Но в других явлениях (фотоэффект) доминирует корпускулярная природа, и свет ведёт себя подобно потоку частиц.

Странно всё это, не правда ли? Но что поделать — так устроена природа. Мы, люди, живём среди макроскопических тел, и наше воображение оказалось не способным полноценно представить себе явления микромира.
Природа, однако, неизмеримо шире и богаче того, что может вместить в себя человеческое воображение. Признав это и руководствуясь не столько собственным воображением, сколько наблюдениями, результатами экспериментов и весьма изощрённой математикой, люди начали успешно создавать квантовую теорию микроскопических явлений и процессов.

О некоторых парадоксальных на первый взгляд — но тем не менее подтверждённых экспериментально! — выводах квантовой теории мы поговорим в следующем листке.

На странице вопроса 1. Чему равна энергия кванта с частотой излучения 10(15) ГЦ? из категории Физика вы найдете
ответ для уровня учащихся 5 – 9 классов. Если полученный ответ не
устраивает и нужно расшить круг поиска, используйте удобную поисковую
систему сайта. Можно также ознакомиться с похожими вопросами и ответами
других пользователей в этой же категории или создать новый вопрос. Возможно,
вам будет полезной информация, оставленная пользователями в комментариях, где
можно обсудить тему с помощью обратной связи.