To ciekawe

Badanie własności fal elektromagnetycznych z przełomu XIX i XX przyniosło wiele obserwacji, których nie dało się wytłumaczyć na gruncie teorii falowej Maxwella. Pośród dylematów ówczesnych fizyków znalazło się między innymi widmo emisyjne termicznych źródeł światła (np. klasycznej żarówki), o którym możesz poczytać w materiale pt. „Promieniowanie ciała doskonale czarnego”, czy też zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, czyli emisja elektronów z metali pod wpływem padającego promieniowania elektromagnetycznego, szerzej opisane w materiale „Efekt fotoelektryczny zewnętrzny”. Zjawisk tych nie dało się wyjaśnić traktując promieniowanie elektromagnetyczne jako falę.

RIeYLwzzGYy7w

Rys. A. Na rysunku jest lampa podsufitowa z żarówką, która wysyła w dół światło. Światło jest przedstawione symbolicznie na dwa sposoby. Jeden sposób to biegnąca w dół od żarówki falista linia, która symbolizuje falowy charakter światła. Drugi sposób to rój maleńkich kulek poruszających się w dół w obrębie stożka, którego wierzchołek znajduje się na żarówce. Kulki symbolizują fotony.

Falowy opis światła, ugruntowany w ówczesnej nauce oraz potwierdzony przez szereg doświadczeń i teorię, musiał zostać skonfrontowany z obserwacjami wskazującymi, że światło zachowuje się nie tylko jak fala, ale również jak zbiór cząstek. Max Planck, wyjaśniając rozkład widmowy promieniowania ciała doskonale czarnego, wprowadził pojęcie porcji energii, którą nazwał kwantem. Koncepcję tę rozwinął Albert Einstein stwierdzając, że fala elektromagnetyczna, np. składa się z cząstek (tzw. kwantów) światła.

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