Energie eines Photons

Seine "kinetische" Energie (wenn man es so nennen kann) ist seine einzige Energie. Es hat keine Masse.

Es ist die Gesamtenergie des Photons und in gewissem Sinne auch die kinetische Energie. Die Energie-Impuls-Beziehung besagt, dass die Energie eines Objekts gegeben ist durch

Nun ist ein Ergebnis der Quantenmechanik, dass Energie mit der Frequenz zusammenhängt,$E=h\nu$, und der Impuls hängt mit der Wellenlänge zusammen,$p=\frac h\lambda$. Das gilt für alle Teilchen, nicht nur für Photonen. Das Besondere an Photonen ist, dass Sie Energie erhalten, wenn Sie diese Ausdrücke in die Energie stecken$\nu\lambda=c$.

Der Grund dass$E=h\nu$wird oft für Photonen verwendet, weil sie keine Ruhemasse haben, also ist ihre Frequenz eines ihrer bestimmenden Merkmale. Wir sind es auch gewohnt, die Lichtfrequenz zu messen. Ihre Augen sind ziemlich gut darin. Aber um es noch einmal zu wiederholen:$E=h\nu$gilt für jedes Teilchen, aber für massive Teilchen berechnet man die Frequenz normalerweise nicht.

$\dagger$Die eigentliche relativistische kinetische Energie ist gegeben durch$(\gamma-1)mc^2$wie hier zu sehen . Diese Aussage ist also nur im losen Sinn.

Bildquelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_redshift

Ich bin mir nicht sicher, ob es wirklich sinnvoll ist, den Begriff kinetische Energie für ein Photon zu verwenden.

Energie ist nützlich, wenn wir über Energieunterschiede sprechen, wie z. B. Energie vor und nach einer Kollision.

Es ist sinnvoll, Energie für ein klassisches massives Teilchen oder Objekt in verschiedene Arten aufzuteilen. Für ein solches Teilchen gilt$\Delta E = \sum_i \vec F_i \cdot \vec d + \frac{1}{2}mv_f^2 - \frac{1}{2}mv_i^2$.

Für verschiedene Arten von Kräften gibt es verschiedene potentielle Energien. Wenn Sie beispielsweise ein Objekt gegen die Schwerkraft anheben, erhöht sich seine potentielle Gravitationsenergie. Wenn Sie ein Elektron und ein Proton trennen, erhöht sich ihre elektrische potentielle Energie.

Manchmal sieht man diese in Verkleidung, wo andere Begriffe für das verwendet werden, was wirklich dasselbe ist. Chemische Bindungen beruhen auf elektromagnetischen Kräften zwischen Elektronen und Kernen. Aber wir sprechen von chemischer Energie statt von elektrischer potentieller Energie.

Wenn Sie eine Feder zusammendrücken, dehnen Sie chemische Bindungen zwischen Metallatomen. Wir sprechen von potentieller Energie, die in der Quelle gespeichert ist, ohne sie als elektromagnetische potentielle Energie zu identifizieren.

Kinetische Energie ist die$\frac{1}{2}mv^2$Begriff. Bei einem Partikel kann dies größer oder kleiner gemacht werden, wenn das Partikel als Reaktion auf Kräfte beschleunigt oder verlangsamt wird.

Der Grund, warum Energie nützlich ist, ist die Erhaltung. Wenn zwei Teilchen interagieren, kann das eine Energie gewinnen und das andere Energie verlieren, sodass die Summen davor und danach gleich sind.

Oder für ein einzelnes Teilchen im freien Fall in der Nähe der Erde kann es kinetische Energie gewinnen, indem es potentielle Energie verliert.

Ein Photon hat Energie, aber es reagiert nicht auf Kräfte und beschleunigt oder verlangsamt sich nicht. Es macht also keinen Sinn, Energie so in verschiedene Arten aufzuteilen. Ein Photon kann nicht eine Energieart auf Kosten einer anderen gewinnen oder verlieren. Es gewinnt Energie, wenn es erzeugt wird, und verliert es, wenn es absorbiert wird. Der Betrag ändert sich nie. Ein Photon hat nur Energie.

Ein Photon kann mit einem Atom wechselwirken. Ein Photon kann absorbiert werden und verschwinden, während das Atom in einen angeregten Zustand versetzt wird. In diesem angeregten Zustand springt ein Elektron auf ein anderes Orbital. Im Durchschnitt ist es weiter vom Kern entfernt und hat eine andere Geschwindigkeit.

Man könnte versuchen zu sagen, dass das Atom jetzt mehr kinetische und elektrische potentielle Energie hat. Das funktioniert aber nicht wirklich so sauber wie in der klassischen Mechanik. Elektronen sind sehr leicht. Eine klassische Beschreibung ihres Verhaltens in einem Atom funktioniert nicht. Wegen der Unschärferelation hat das Elektron keine exakte Position oder Geschwindigkeit. Sie können also nicht sagen, wie viel kinetische Energie und wie viel potenzielle Energie ist. Man kann nur sagen, dass das Elektron Energie gewonnen hat.

Atome sind viel schwerer, und Sie können vernünftigerweise über die Position und Geschwindigkeit eines Atoms sprechen (obwohl Sie dies nicht unendlich genau sagen können). und wie viel ging in den Rückstoß des Atoms.

Wir sprechen also nur von der Energie eines Photons und der Energie eines Elektrons in einem Atom.