Photonenenergie

Die Photonen-Energie (E) ist die Energiemenge eines einzelnen Photons in Elektronenvolt (eV). Ein Elektronenvolt entspricht dem Produkt der Elementarladung (e) und der Maßeinheit in Volt (V).

Bei Teilchen wie Photonen oder Elektronen wird meist als Energieeinheit das Elektronenvolt (eV) und nicht das Joule (J) verwendet. Da ein Joule 6,24 × 10 ¹⁸ eV entspricht, kann diese SI Einheit aber für Photonen mit höherer Energie (ca. ab der Röntgenstrahlung) besser für die Bezeichnung verwendet werden.

Formeln ¹⁾[Bearbeiten]

Bei der Umrechnung in die SI-Einheit Joule hat das Elektronenvolt den Wert: 1 eV = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ J

Die Gleichung für die Energie des Photons E = hc/λ,

wobei hc/λ (μm) = 1.23984193×10⁻⁶ eV m = ca. 1,2398 eV/λ (μm) is

E ist die Photonenenergie
λ ist die Wellenlänge des Photons
c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
h ist das Plancksche Wirkungsquantum

Die Photonenenergie in Elektronenvolt, kann wie folgt berechnet werden: Da h und c beide konstant sind, ändert sich das Maß der Photonenenergie E umgekehrt mit der Wellenlänge λ. Die Gleichung zum Ermitteln der Photonenenergie in Elektronenvolt unter Verwendung der Wellenlänge in Mikrometern lautet ungefähr: E (eV) = 1,2398 / λ (μm). Diese Gleichung gilt nur, wenn die Wellenlänge in Mikrometern gemessen wird. Die Photonenenergie bei einer Wellenlänge von 1 μm, der Wellenlänge der nahen Infrarotstrahlung, beträgt ungefähr 1,2398 eV.

Berechnungsbeispiel[Bearbeiten]

Beispiel: Der Spektralbereich von Rot bei ca. 700 nm (0,7 μm) beträgt 1,2398 eV / 0,7 μm = 1,77 eV, Violett bei ca. 400 nm (0,4 μm) = 1,2398 eV / 0,4 μm = 3,1 eV, hat dagegen eine höhere Photonenenergie pro Photon. Dies bedeute, je kleiner die Wellenlänge desto höher die Energie des Photons. Spektralbereiche der Photonenenergie sind: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung bis zur Höhenstrahlung.

Spezielle Eigenschaften und Wechselwirkungen[Bearbeiten]

Die Photonenenergie ist nur eine Funktion der Wellenlänge. Andere Faktoren wie die Strahlungsintensität haben keinen Einfluss auf die Photonenenergie. Mit anderen Worten, zwei Lichtteilchen mit derselben Wellenlänge von 700 nm, haben dieselbe Photonenenergie, selbst wenn eines von der Sonne und das andere von einer Leuchtdiode emittiert wird. Ändert sich jedoch die Wellenlänge, ändert sich auch die Energie der Photonen. Dies wiederum bedeutet, je nach Photonenenergie im sichtbarem Bereich wird auch eine andere Farbe nach der visuellen Verarbeitung wahrgenommen.

Wechselwirkungen mit Materie

5 eV bis 100 keV: Photoeffekt
50 keV bis 1 MeV: Compton-Effekt
1,022 bis 6 MeV: Paarbildung

Photonenenergie kann durch Materie reflektiert, gestreut, absorbiert und emittiert werden. Auch wird die Photonenenergie eines Photons entweder als Ganzes absorbiert und emittiert oder gar nicht.

Eine der wichtigsten physikalischen Eigenschaften, die Max Planck entdeckt hat, ist das Energie von Körpern nicht kontinuierlich, sondern in Sprüngen als Pakete den sogenannte Quanten oder von ihm auch elementares Wirkungsquantum genannt, abgegeben wird. Das sind die Energiepakete (Photonenenergie) wie Albert Einstein sie nannte. Photon ist ein Quantenobjekt, woraus die elektromagnetische Welle (z. B. auch die Lichtstrahlung) besteht.

Anmerkung über Photonen im Bereich des sichtbaren Lichts[Bearbeiten]

Photonen kann man auch als Lichtquanten oder Lichtteilchen bezeichnen. Sie sind Elementarteilchen und nicht weiter teilbar. Photonen haben sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften (siehe Doppelspaltexperiment), wobei man sie sich z.B. bei Licht besser als Teilchen denn als Wellen vorstellen kann.