Yksittäisen fotonin energia riippuu ainoastaan sen aallonpituudesta: mitä lyhyempi aallonpituus, sitä energisempi fotoni. Tämä laskin ottaa aallonpituuden nanometreinä ja palauttaa fotonin energian jouleina ja elektronivoltteina.
Tämä suure selittää, miksi UV-säteily vaikuttaa eri tavalla kuin näkyvä valo. Fotoni aallonpituudella 254 nm kuljettaa noin 4,9 eV, joka on monien organisten sidosten sidosenergiaa suurempi – se voi rikkoa molekyylejä suoraan. Fotoni aallonpituudella 400 nm kuljettaa vain noin 3,1 eV. Juuri tämä kynnysarvo ratkaisee, reagoiko fotoinitiaattori, virittyykö puolijohteen siirtymä tai käynnistyykö fotokatalyyttinen reaktio. Jos tunnette kaistaraon eV-yksikössä, laskin kertoo pisimmän aallonpituuden, jota voitte siihen käyttää.
Laskenta koskee fotoneja tyhjiössä tai ilmassa; väliaineessa, jonka taitekerroin on n, aallonpituus muuttuu, mutta fotonin energia ei. Vakiot noudattavat CODATA 2018 -standardia.
Fotonin energia johtaa suoraan fotonivuohon – fotonien määrään sekunnissa. Kyseinen laskin on upotettu fotokemia-sivulle, jossa tämä kysymys nousee esiin. Kaikki radiometriset laskimet on koottu radiometrialaskin-sivulle.
Perusteet
Fotonin energia määräytyy Planck–Einstein-relaatiosta E = h · c / λ, jossa Planckin vakio h = 6,62607015 · 10⁻³⁴ J·s ja valon nopeus c = 299 792 458 m/s (molemmat määritelty tarkasti SI-järjestelmän uudistuksen jälkeen). Kun λ syötetään metreinä, saadaan E jouleina. Elektronivoltteja varten jaetaan alkeisvarauksella, mikä antaa käytännöllisen lyhyen muodon E[eV] = 1239,842 / λ[nm].
| Aallonpituus | Energia |
|---|---|
| 254 nm (matalapaine-elohopea) | 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 |
Laskuesimerkki aallonpituudelle 365 nm: E = 1239,842 / 365 = 3,397 eV, mikä vastaa arvoa 5,44 · 10⁻¹⁹ J.
Kaava kuvaa yhden aallonpituuden yhtä fotonia. Keskipainelamppu säteilee monia viivoja, ja LED tyypillisesti 10–15 nm:n puoliintumisleveyden kaistaa — tässä keskipisteen aallonpituus on approksimaatio, ja tarkka työ vaatii spektrin integroimista. Fotonin energia ei myöskään kerro mitään säteilyn määrästä; siihen tarvitaan irradianssia tai fotonivuota.
Usein kysytyt kysymykset
Kaavalla E = h · c / λ. Käytännössä lyhennetty muoto E[eV] = 1239,842 / λ[nm] riittää yleensä: 365 nm antaa 3,40 eV, 254 nm antaa 4,88 eV.
Samalla lyhyellä kaavalla. Suhde on käänteinen, ei lineaarinen — puolet aallonpituudesta tarkoittaa kaksinkertaista energiaa.
Koska yksittäinen fotoni on energisempi. Aallonpituudella 254 nm fotonienergia ylittää monien orgaanisten sidosten sidosenergian, aallonpituudella 365 nm ei. UV-C vaikuttaa siksi suoraan DNA:han, kun taas UV-A vaikuttaa pääasiassa välivaiheiden kautta. Alueiden luokittelu on kuvattu kohdassa spektrialueet ja standardit.
λ = 1239,842 / 3,2 ≈ 387 nm. Luotettavaa viritystä varten käytännössä valitaan hieman lyhyempi aallonpituus, noin 365 tai 375 nm.
Ei. Väliaineen sisällä aallonpituus lyhenee taitekertoimen verran, mutta taajuus ja siten myös energia pysyvät samoina. Kaavoissa on käytettävä tyhjiön aallonpituutta.
Se ratkaisee, virittyykö fotoinitiaattori lainkaan. Jos aallonpituus ei vastaa initiaattorin absorptioaluetta, edes suuri annos ei auta. Lisää tästä kohdassa fotoinitiaattorit & UV-absorbentit.
Kirjoittaja: Dr. Mark Paravia
Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen nykyinen painopisteensä on optisen säteilyn mittaustekniikassa. Hän toimii DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtajana ja on DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.
