1. Licht en Straling

Fotonen (3/4)

Wat zijn de kenmerken van fotonen?

Ze hebben een veel, veel hogere snelheid dan deeltjes die wij in ons dagelijks leven tegenkomen. In vacuüm verplaatsen ze zich met de snelheid

c=2.998·10⁸ m/s
Dit is de lichtsnelheid, die behandeld werd onder elektromagnetische golven. Net zoals elektromagnetische golven hebben fotonen een iets lagere snelheid wanneer ze zich voortplanten door doorzichtig materiaal. Fotonen kunnen zich niet sneller en ook niet langzamer voortbewegen dan met de lichtsnelheid!
Fotonen hebben geen massa vergeleken met andere bekende deeltjes in ons dagelijks leven.
Fotonen bezitten energie E en momentum p:
$E = h f$ $p = \frac{h}{λ}$
De grootheden f en λ komen overeen met de frequentie en golflengte van elektromagnetische golven.
In het begin lijken deze relaties tegenstrijdig te zijn. Ze combineren kenmerken van deeltjes (energie, impuls) en de kenmerken van golven (frequentie, golflengte), die naar onze inzichten blijkbaar helemaal geen verband met elkaar hebben. Dit is echter zeer typisch in quantumfysica. Licht bezit de kenmerken van zowel golven als deeltjes tegelijkertijd! Dit staat bekend als de dualiteit van golven en deeltjes.
Golven en deeltjes zijn complementaire lichtmodellen:
$f \leftrightarrow E$
$λ \leftrightarrow p$
Kenmerken van golf en deeltje zijn met elkaar verbonden via de constante van Planck

h=6.626·10^-34 J s .
De constante van Planck is één van de fundamentele constanten in de quantumfysica.

Massa, impuls en energie van deeltjes en fotonen worden nader uitgelegd in bijvoegsel 1.5.

Welke eenheden gebruikt men om fotonenergie aan te geven? De eenheid Joule (of wattseconde) zou uitkomen op zeer kleine numerieke waarden van ongeveer 10^-20 J voor fotonen in het zichtbare bereik. Daarom heeft de eenheid elektronvolt (eV) meer de voorkeur. Deze is geen SI-eenheid. 1 eV is gelijk aan 1.6·10^-19 J in SI-eenheden.

electronvolt ↓

De elektronvolt (eV) wordt gedefinieerd als de kinetische energie die een elektron wint bij versnelling in een elektrisch veld. 1 eV komt overeen met de energie van een ongebonden elektron bij versnelling in het elektrisch veld van een potentiaalverschil van één volt. Algemeen gezien geldt dit voor de kinetische energie E van een lading q die versneld is door een verschil in elektrisch potentiaal U:

E = q U

Dus, een elektron met de elektronlading $e_{o} = 1.6 \cdot 10^{- 19} C$ krijgt door een versnelling door het potentiaalverschil 1 V de energie

1 eV ≙ 1.6 \cdot 10^{- 19} J = 1.6 \cdot 10^{- 19} C \cdot 1 V

In atoom- en nucleaire fysica wordt de elektronvolt als eenheid gebruikt om de energie van elementaire deeltjes of die van andere voorwerpen met soortgelijke afmetingen aan te geven. Net zoals fotonen hoeven ze geen elektrische lading te hebben.

In de orde van grootte hebben fotonen van zichtbaar licht een energie van 1 eV, UV-straling heeft 100 eV, x-stralen hebben 10 keV en γ-stralen hebben typisch 1 MeV.

Het spectrum van zichtbaar licht over de golflengte en de fotonenergie.

Nu kunnen we proberen antwoorden te geven op de vragen die we voorheen niet konden beantwoorden. Wat is energie en wat is lichtsterkte? Welk type licht bruint onze huid? Hoe zien we kleuren? …

Fotonen kunnen door atomen en moleculen geabsorbeerd worden op voorwaarde dat ze de juiste hoeveelheid fotonenergie bezitten nodig om geabsorbeerd te worden. Anders is een verlicht voorwerp ofwel doorzichtig of weerkaatsend. Het bruinen van de huid is het gevolg van een chemische reactie die fotonenergie van ongeveer 3 eV nodig heeft, wat overeenkomt met dat van blauw of ultraviolet licht met een golflengte van 400 nm. Daarom is zichtbaar licht, dat niet voldoende sterkte heeft in dat golflengtebereik - zoals dat van een gloeilamp - niet in staat om het bruinen van de huid te veroorzaken.

Inzicht in Spectra van de Aarde

1. Licht en Straling

Fotonen (3/4)