משתמש:Yaron1234

אנרגיית הפוטון

אנרגיית הפוטון

אנרגיית הפוטון היא האנרגיה הנישאת על ידי פוטון בודד. כמות האנרגיה של הפוטון פרופורציונלית לתדירות שלו, ונמצאת ביחס הפוך לאורך הגל שלו. את האנרגיה של הפוטון ניתן לראות בדרכים שונות. הדוגמה הכי פשוטה היא הקרינה. לקרינה אלקטרומגנטית אופי דואלי. מצד אחד גל, בעל תדירות ואורך גל הקשורים ע"י $v=\lambda *f$

מצד שני יש לה אופי חלקיקי, לחלקיקים אלו קוראים פוטונים. בתופעות מסוימיות -למשל התאבכות- בא לידי ביטוי האופי הגלי. ובאחרות - למשל האפקט הפוטואלקטרי - בא לידי ביטוי האופי החלקיקי.

את האופי החלקיקי ואת הקיום של הפוטון גילו איינשטיין ופלנק בראשית המאה ה-20. הם גם הראו שהאנרגיה של הפוטון מתכונתית לתדירותו- $\mathrm {E} =hv$

מאפייני הפוטון

פוטון הוא חלקיק יסודי הנושא את הכוח האלקטרומגנטי, כל פוטון נושא אנרגיה שמהווה מנה של קרינה אלקטרומגנטית. הפוטון הוא חסר מסה ומטען חשמלי. מהירות האור בריק היא 299,792,458 מטרים לשניה.פוטון הוא חלקיק אלמנטרי ממשפחת הבוזונים חלקיק בעל ספין שלם שמציית לסטטיסטיקת בוז-איינשטיין, לכן ניתן לדחוס מספר לא מוגבל של פוטונים לתוך אותו מצב קוואנטי. בגלל שמסת הפוטון היא אפס הכוח האלקטרומגנטי הוא כוח ארוך טווח, (אינסופי). פוטונים נפלטים כאשר אטומים מולקולות או מוצקים עוברים מכמות אנרגיה מעוררת לנמוכות יותר, ובכיוון ההפוך - פוטונים גם נבלעים וגורמים לעירור של אטומים ומולקולות לרמות אנרגיה גבוהות יותר. אורך הגל של הפוטונים תלוי בסוג המעברים, למשל הקרינה הנראית (האור) נובע בדרך כלל ממעברים אלקטרוניים. לדוגמה אטום נתרן פולט אור צהוב. קרינה אינפרא-אדומה נובעת ממערים ויברציוניים של מולקולות, וגלי מיקרו מתנועת רוטציה - למשל של מים.

דוגמאות לאנרגיית הפוטון

האפקט הפוטואלקטרי

(בעברית: התוצא החשמלורי )הוא תופעה פיזיקלית שבה נפלטים אלקטרונים של מתכת כאשר פוגעת בה קרינה אלקטרומגנטית. האנרגיה של הפוטונים גורמת לשחרור אלקטרונים מהאטומים. באטומים יש רמות אנרגיה שונות ונתונות של האלקטרון. כאשר אנרגיית האלקטרון עולה לרמה גבוהה עוד יותר, הוא משתחרר מהאטום והופך לאלקטרון משוחרר. תנועת האלקטרונים המשתחררים היא למעשה זרם חשמלי. זרם זה, שנוצר מפגיעה של פוטונים הוא האפקט הפוטואלקטרי.

הקרינה מתגלה גם בצורות של גלים ברמות אנרגיה שונות. את ההבדל בין רמות האנרגיה האלו ניתן לראות בצבעים של הקרינה. הספקטרום האלקטרומגנטי מתאר קרינות שונות, כגלים שונים, הנבדלים באנרגיה, אשר נקבעת על ידי תדירות הגל. ככל שהתדירות גבוהה יותר כך גם האנרגיה של הגל גבוהה יותר. לדוגמה, אנרגיה של קרינה סגולה גדולה יותר מהאנרגיה של קרינה אדומה מכיוון שתדירות הגלים גבוהה יותר. יש גם גלים מחוץ לטווח הנראה כמו גלי רדיו, אשר להם תדר נמוך מהקרינה האדומה, זוהי קרינה אינפרה-אדומה. לקרינה אלקטרומגנטית עם תדר גבוה מהקרינה הסגולה (אשר נקראת קרינה אולטרה סגולה) יש אנרגיה גבוהה יותר.

קרינת גוף שחור

גוף שחור הוא עצם אידיאלי הבולע באופן מושלם קרינה אלקטרומגנטית בכל אורכי הגל ללא חזרה או העברה. גוף שחור פולט קרינה אלקטרומגנטית באופן התלוי רק בטמפרטורה שלו לפי חוק פלנק. קרינה זו נקראת קרינת גוף שחור. הקרינה הנפלטת אינה תלויה בקרינה הפוגעת חוץ מה ההשפעה שלה על טמפרטורת הגוף. גוף שחור אידיאלי הוא קירוב טוב לתיאור הקרינה הנפלטת מגופים חמים רבים: אור השמש, נורת להט וקרינת תת אדום מבעלי חיים. גוף שחור פולט בכל אורכי הגל בעוצמה התלויה באורך הגל והטמפרטורה, בהתאמה לחוק פלנק. גוף שחור בטמפרטורה נמוכה כ 430 מעלות צלסיוס פולט מאט מאוד קרינה בטווח הנראה. וקורן בעיקר בתדירויות נמוכות יותר כמו גל רדיו ותת אדומות. במציאות, גוף שחור מתאר בקירוב טוב משטחים רבים, בעיקר משטחים טבעיים. קיימים גם מכשירים המדמים גוף שחור בדיוק גבוה, לשימושים תעשייתיים ומדעיים.

המרת אנרגיית פוטון לאנרגיה אחרת

המרת אנרגיה פוטונית לאנרגיה אחרת מתאפשרת בזכות האינטראקציה של פוטונים עם אלקטרונים. המרה זו מתרחשת בעזרת תהליכים כגון תהליכים פוטוכימיים (בתהליכים אלו מומרת אנרגיית הפוטון לאנרגיה כימית) לדוגמא בתהליך הפוטוסינתזה של הצמחים. ההמרה מתרחשת גם בתהליכים פוטו-וולטאיים (בתהליכים אלו מומרת האנרגיה הפוטונית לאנרגיה חשמלית) לדוגמא בתאים סולריים. אנרגיית הפוטון יכולה גם להפוך למסה כיוון שמסה היא התגלות של אנרגיה כמו באינטראקציות בין חלקיקים קוואנטים בהם חלקיקים מתנגשים והופכים לצורות של אנרגיה, בהם גם המסה.

סוגי הקרינה

מקור קרינה רגיל, כמו למשל נורה חשמלית, פולט אור כתוצאה של מערים אלקטרוניים בהם האטומים שבנורה עוברים ממצב מעורר ליסודי, אחרי שהגיעו למצב מעורר בעקבות זרם חשמלי. הקרינה הזו נפלטת לכל הכיוונים ובתחום רחב יחסית של אורכי גל, והיא קרויה - קרינה ספונטנית.

לעומת זאת בקרינת לייזר היא ממוקדת מאוד, כל הפוטונים נעים בכיוון אחד, והם בעלי תדירות זהה. הפוטונים הללו נוצרו בעקבות קרינה מושרית. כאשר פוטון הנפלט מאטום מעורר אחד פוגש אטום מעורר אחר הוא "מכריח" את האטום לרדת למצב יסודי ולוקח איתו בצורה זו פוטון נוסף שנע עם הפוטון המקורי בדיוק לאותו הכיוון. כך נמשך התהליך, שני הפוטונים יכולים לגרום לארבעה פוטונים מושרים, הארבעה לשמונה וכך ליצור קרן חדה וממוקדת - קרן הלייזר.

נוסחאות

המשוואה עבור אנרגיית פוטון היא: $\mathrm {E} =hc/\lambda$כאשר E הוא אנרגיית פוטון, h הוא קבוע פלנק, c היא מהירות האור בחלל ריק וλ הוא אורך הגל של הפוטון. כאשר h ו- c הם קבועים, אנרגיית פוטון משתנה עם יחס ישיר לאורך גל λ.

כדי למצוא את אנרגיית הפוטון באמצעות אורך הגל של micrometre, (מיקרומטרים) המשוואה היא-$\mathrm {E} (eV)=1.2398/\lambda$

לכן, אנרגיית הפוטון באורך גל של מיקרומטר אחד, אורך הגל של קרינה אינפרא אדומה הקרובה, הוא בערך 1.2398 eV.

כאשר f הוא תדירות, ניתן לפשט את משוואת אנרגיית הפוטון כך- $c/\lambda =f$

משוואה זו מכונה יחס פלנק-איינשטיין. החלפת h עם הערך שלה Js ו עם הערך שלה בהרץ נותן את האנרגיה פוטון ב joules. לכן, אנרגיית הפוטון בתדר 1 Hz היא 6.62606957 × 104-34 joules או 4.135667516 × 10-15 eV.

בתחום הכימיה וההנדסה האופטית, משמש כאשר h הוא קבועה של פלנק והאות היוונית שמש כאשר h הוא קבוע של פלאנק והאות היוונית (nu) היא תדר הפוטון. הוא תדר הפוטון.