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光子能

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光子能是单个光子携带的能量。 能量大小直接正比于光子的电磁频率,因此相当于与波长成反比。光子频率越高,能量就越高。等价地,光子波长越长,能量就越低。

光子能可用任何能量单位表示。 而在这些单位中间,常用于描述光子能的是电子伏特(eV)和焦耳(以及它的倍数,如微焦耳)。由于一焦耳等于6.24 × 1018 eV,更大的单位在描述具有更高能量和频率光子的能量,例如伽马射线时可能更有用,而不常用于描述较低能量光子,如电磁波谱射频范围的光子。

公式

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物理学

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光子能直接正比例于频率。[1]其中

  • 表示能量(焦耳)
  • 表示普朗克常数:6.62607015 × 10−34 (m2kgs−1)
  • 表示频率(赫兹)

这个方程式也叫普朗克-爱因斯坦关系式

另一种形式如下, 其中

  • 表示光子能量(焦耳)
  • 表示光子的波长(米)
  • 表示频率(赫兹)
  • 表示真空中的光速:每秒299792458米
  • 表示普朗克常数:6.62607015 × 10−34 (m2kgs−1)

1 Hz频率下的光子能等于6.62607015 × 10−34 J

也等于4.135667697 × 10−15 eV(电子伏特)

电子伏特

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能量常用电子伏特计量。

若光子能以电子伏特计、 波长以微米计,则方程大致为

此方程仅在波长以微米计算时正确。

波长1 μm(接近红外辐射)时,光子能约为1.2398 eV。

请看[2]其中

例子

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以100 MHz发射信号的调频广播站发射的光子含有约4.1357 × 10−7 eV能量。这非常少的能量大致是电子质量的8 × 10−13倍(通过质能关系转换)。

超高能伽马射线具有100 GeV至超过1 PeV(即1011至1015 电子伏特),或16纳焦耳至160微焦耳的光子能。[3]这相当于2.42 × 1025至2.42 × 1029 Hz的频率。

光合作用中,特定的叶绿素分子在光系统 I吸收波长700 nm的红色光光子,相当于每个光子含有≈ 2 eV ≈ 3 x 10−19 J ≈ 75 kBT的能量(这里kBT表示单位热能)。 要从CO2和水分子中生成一分子葡萄糖,最少需要48个光子(化学势差5 x 10−18 J),最大能量转换效率35%。

另请参见

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参考资料

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  1. ^ Energy of Photon. Photovoltaic Education Network, pveducation.org. [2015-06-21]. (原始内容存档于2016-07-12). 
  2. ^ Andrew Liddle. An Introduction to Modern Cosmology. John Wiley & Sons. 27 April 2015: 16 [2021-11-25]. ISBN 978-1-118-69025-3. (原始内容存档于2017-02-28). 
  3. ^ Sciences, Chinese Academy of. Observatory discovers a dozen PeVatrons and photons exceeding 1 PeV, launches ultra-high-energy gamma astronomy era. phys.org. [2021-11-25]. (原始内容存档于2022-01-30) (英语).