什麼是光子能量計算器?
這個工具可以算出單一光子所攜帶的能量。光子的能量只取決於它的頻率(或等價地說,取決於它的波長)。只要輸入以奈米(nm)為單位的波長,或以太赫茲(THz)為單位的頻率,計算器就會回傳以焦耳和電子伏特表示的光子能量,並一併列出對應的頻率與波長。它適用於電磁波譜的任何區段——無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線到伽瑪射線都行。
使用方法
先選擇你想輸入波長還是頻率。以可見光為例,波長大約從 380 nm(紫光)到 700 nm(紅光)。輸入數值後,就能直接讀出光子能量。切換輸入模式還能驗證兩者之間的反比關係:波長越短、頻率越高,光子的能量就越大。
公式說明
普朗克-愛因斯坦關係式為 \( E = hf \),其中 \( h = 6.626 \times 10^{-34}\ \text{J}\cdot\text{s} \) 是普朗克常數,\( f \) 則是以赫茲(Hz)為單位的頻率。由於光速將頻率與波長連結為 \( c = f\lambda \)(\( c = 2.998 \times 10^{8}\ \text{m/s} \)),我們也能把式子寫成 $$ E = \frac{hc}{\lambda} $$ 若要把結果換算成電子伏特,只需將以焦耳為單位的能量除以基本電荷 \( 1.602 \times 10^{-19}\ \text{C} \)。
計算範例
以波長 \( 500\ \text{nm} = 5.00 \times 10^{-7}\ \text{m} \) 的綠光為例。其頻率為 $$ f = \frac{c}{\lambda} = \frac{2.998 \times 10^{8}}{5.00 \times 10^{-7}} \approx 5.996 \times 10^{14}\ \text{Hz} $$(約 600 THz)。能量則為 $$ E = hf = 6.626 \times 10^{-34} \times 5.996 \times 10^{14} \approx 3.97 \times 10^{-19}\ \text{J} $$ 換算約等於 2.48 eV——這正是可見光光子的典型數值。
常見問題
為什麼能量與頻率成正比,而不是與波長成正比?量子理論指出,光是以「能量包」的形式存在,而每個能量包的能量會與頻率成正比。由於波長與頻率成反比,因此波長越短,攜帶的能量就越高。
應該使用哪些單位?波長請以奈米(nm)輸入,頻率則以太赫茲(THz)輸入。計算器會在內部自動換算成公尺與赫茲。
這個結果適用於一整束光嗎?計算出的是單一光子的能量。若想得到多個光子的總能量,只要乘上光子的數量即可。