Warto przeczytać

FotonemfotonFotonem nazywamy cząstkę przenoszącą porcję energii (kwant energii) promieniowania elektromagnetycznego. Nazwę zaproponował amerykański fizykochemik Gilbert Newton Lewis. Miała ona opisywać foton jako cząstkę transportującą energię promienistą. Według naukowca foton miał być pochłaniany i emitowany przez materię.

Dziś foton jest definiowany jako cząstka elementarna o zerowej masie spoczynkowej i ściśle określonej energii. Fotony należące do różnych obszarów widma promieniowania elektromagnetycznego mają energie różniące się od siebie nawet o kilka rzędów wielkości. Dla danej częstotliwości fali elektromagnetycznej energia ta jest iloczynem stałej Planckastała Planckastałej Plancka $h$ i częstotliwości fali $f$:

Występująca we wzorze stała Plancka jest stałą fizyczną charakterystyczną dla mikroświata. Zgodnie z ustaleniami z 16 listopada 2018 Generalnej Konferencji Miar i Wag (CGPM) jej wartość określona jest dokładnie, czyli bez niepewności, i wynosi

Jednostką energii fotonu jest dżul (J), jednak bardzo często używa się alternatywnej jednostki – elektronowolta (eV). Jeden elektronowolt to energia, jaką zyskuje elektron przyspieszany napięciem równym 1 woltowi (V). Aby przeliczyć 1 eV na dżule wystarczy pomnożyć wartość ładunku elementarnego $e$, czyli $\mathrm{1,602}\cdot {10}^{-19}$ C, przez jeden wolt: 1 eV = $\mathrm{1,602}\cdot {10}^{-19}$ J.

Stałą Plancka można zatem wyrazić w eV$\cdot$s. Wynosi ona ok.  $\mathrm{4,14}\cdot {10}^{-15}eV\cdot s$.

Zgodnie z wyrażeniem $f=c/\lambda$ łączącym częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego i długość jego fali w próżni, energię fotonu można wyrazić przez

(Literą $c$ oznaczamy prędkość światła w próżni, równą w przybliżeniu $3\cdot {10}^8$ m/s.)

RJojKmXqIKWr0

Rys. 1. Zdjęcie poglądowe jest graficzną ilustracją treści. Na rysunku znajdują się lasery umieszczone jeden pod drugim, które emitują wąskie wiązki światła, biegnące poziomo. Na dole jest wiązka światła fioletowego, wyżej niebieskiego i kolejno coraz wyżej, niebiesko‑zielonego, zielonego, pomarańczowego i czerwonego.

Jak duża jest energia fotonu? Wyznaczmy dla przykładu energię fotonów emitowanych z helowo‑neonowego wskaźnika laserowego o długości fali 633 nm.

Wartość tę można zapisać w dużo wygodniejszej formie w elektronowoltach:

Typowe energie w makroświecie - np. energia kinetyczna piłki upuszczonej z wysokości 1 m, tuż przed uderzeniem w chodnik - mają wartość rzędu 1 J, a więc rzędu ${10}^{19}\mathrm{eV}$. Energie fotonów są istotnie mniejsze. Porównajmy 1 J z energią procesu charakterystycznego dla mikroświata, np. energią wydzielaną podczas pełnego spalania jednej cząsteczki metanu w tlenie. Energia spalania metanu wynosi 891,6 kJ/mol, co po podzieleniu przez stałą Avogadra, czyli w przeliczeniu na jedną cząsteczkę, wynosi

Otrzymana wartość jest, jak widać, tego samego rzędu, co energia fotonu emitowanego przez laser helowo‑neonowy.

Należy pamiętać, że energie fotonów zależą od częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego, która może przyjmować wartości od pojedynczych kHz dla fal radiowych do wielkości rzędu ${10}^{24}$ Hz dla promieniowania gamma. Energie fotonów mogą więc przyjmować wartości od ok. ${10}^{-12}$ eV do ${10}^9$ eV.

Słowniczek