Energien af en enkelt foton afhænger udelukkende af dens bølgelængde: kortere bølgelængde betyder mere energirig foton. Denne beregner tager en bølgelængde i nanometer og returnerer fotonenergien i joule og i electronvolt.
Størrelsen forklarer, hvorfor UV-stråling virker anderledes end synligt lys. En foton ved 254 nm har ca. 4,9 eV, hvilket er over bindingsenergien for mange organiske bindinger – den kan bryde molekyler direkte. En foton ved 400 nm har kun ca. 3,1 eV. Det er netop denne tærskel, der afgør, om en fotoinitiator reagerer, om en halvlederovergang exciteres, eller om en fotokatalytisk reaktion starter. Hvis du kender et båndgab i eV, fortæller beregneren dig den længste bølgelængde, du kan bruge til det.
Beregningen gælder for fotoner i vakuum eller luft; i et medium med brydningsindeks n ændres bølgelængden, men ikke fotonenergien. Konstanterne følger CODATA 2018.
Fotonenergi fører direkte til fotonflux – antallet af fotoner pr. sekund. Denne beregner er indlejret på siden fotokemi, hvor spørgsmålet opstår. Alle radiometriske beregnere er samlet i radiometri-beregneren.
Grundlæggende principper
Fotonenergi følger af Planck-Einstein-relationen E = h · c / λ, med Planck-konstanten h = 6,62607015 · 10⁻³⁴ J·s og lysets hastighed c = 299 792 458 m/s (begge eksakt defineret siden SI-revisionen). Indsættes λ i meter, fås E i joule. For elektronvolt divideres med elementarladningen, hvilket giver den praktiske korte form E[eV] = 1239,842 / λ[nm].
| Bølgelængde | Energi |
|---|---|
| 254 nm (kviksølv lavtryk) | 4,88 eV |
| 265 nm (UVC LED) | 4,68 eV |
| 280 nm (UVC LED) | 4,43 eV |
| 365 nm (UVA LED) | 3,40 eV |
| 405 nm | 3,06 eV |
Eksempel på beregning for 365 nm: E = 1239,842 / 365 = 3,397 eV, svarende til 5,44 · 10⁻¹⁹ J.
Formlen beskriver en enkelt foton med en enkelt bølgelængde. En mellemtryks-kviksølvlampe udsender mange linjer, en LED et bånd på typisk 10-15 nm fuld halvværdibredde — her er centroidebølgelængden en approksimation, og nøjagtigt arbejde kræver integration af spektret. Fotonenergi siger heller ikke noget om strålingsmængden; det kræver irradians eller fotonflux.
Ofte stillede spørgsmål
Med E = h · c / λ. I praksis er den korte form E[eV] = 1239,842 / λ[nm] normalt nok: 365 nm giver 3,40 eV, 254 nm giver 4,88 eV.
Med den samme korte formel. Forholdet er reciprokt, ikke lineært - halv bølgelængde betyder dobbelt energi.
Fordi den enkelte foton er mere energirig. Ved 254 nm overstiger fotonenergien bindingsenergien for mange organiske bindinger, ved 365 nm gør den ikke. UV-C virker derfor direkte på DNA, mens UV-A hovedsageligt virker via mellemliggende trin. Klassificeringen af områderne er beskrevet under spektralområder og standarder.
λ = 1239,842 / 3,2 ≈ 387 nm. For pålidelig excitation vælges i praksis en lidt kortere bølgelængde, omkring 365 eller 375 nm.
Nej. Inde i et medium bliver bølgelængden kortere med brydningsindekset, men frekvensen og dermed energien forbliver den samme. Formler skal bruge vakuumbølgelængden.
Det afgør, om en fotoinitiator overhovedet exciteres. Hvis bølgelængden ikke matcher initiatorens absorptionsområde, hjælper selv en høj dosis ikke. Mere om dette under fotoinitiatorer & UV-absorbere.
Forfatter: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia er administrerende direktør for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterede kalibreringslaboratorium. Efter sin forskning i pulserende xenon-excimerudladninger ved Institute of Lighting Technology på KIT ligger hans nuværende fokus på optisk stråleingsmåleteknik. Han er næstformand for DIN-standardiseringsudvalget FNL 7 "Optical Radiation" og medlem af DVGW's projektgruppe om UV-desinfektion.
