Energia pojedynczego fotonu zależy wyłącznie od jego długości fali: im krótsza długość fali, tym bardziej energetyczny foton. Ten kalkulator przyjmuje długość fali w nanometrach i zwraca energię fotonu w dżulach oraz w elektronowoltach.
Wielkość ta wyjaśnia, dlaczego promieniowanie UV działa inaczej niż światło widzialne. Foton o długości 254 nm niesie około 4,9 eV, powyżej energii wiązania wielu wiązań organicznych – może bezpośrednio rozrywać cząsteczki. Foton o długości 400 nm niesie jedynie około 3,1 eV. To właśnie ten próg decyduje o tym, czy fotoinicjator zareaguje, czy zostanie wzbudzone przejście półprzewodnikowe, czy też rozpocznie się reakcja fotokatalityczna. Jeśli znają Państwo przerwę energetyczną w eV, kalkulator wskaże najdłuższą długość fali, jaką można dla niej zastosować.
Obliczenie dotyczy fotonów w próżni lub w powietrzu; w ośrodku o współczynniku załamania n długość fali się zmienia, ale energia fotonu pozostaje taka sama. Stałe są zgodne z CODATA 2018.
Energia fotonu prowadzi bezpośrednio do strumienia fotonów – liczby fotonów na sekundę. Ten kalkulator jest osadzony na stronie fotochemia, gdzie pojawia się to pytanie. Wszystkie kalkulatory radiometryczne są zebrane w kalkulatorze radiometrycznym.
Obliczenie to dotyczy promieniowania monochromatycznego. Rzeczywiste źródła emitują promieniowanie w pewnym zakresie długości fali; dla nich energia fotonu musi być uśredniona z uwzględnieniem widma. Sama energia fotonu nie pozwala na wyciągnięcie wniosków dotyczących efektu chemicznego lub biologicznego.
Podstawy
Energia fotonu wynika z zależności Plancka-Einsteina E = h · c / λ, gdzie stała Plancka h = 6,62607015 · 10⁻³⁴ J·s, a prędkość światła c = 299 792 458 m/s (obie wartości są dokładnie zdefiniowane od czasu rewizji układu SI). Podstawiając λ w metrach, otrzymuje się E w dżulach. Dla elektronowoltów należy podzielić przez ładunek elementarny, co daje wygodną, skróconą postać E[eV] = 1239,842 / λ[nm].
| Długość fali | Energia |
|---|---|
| 254 nm (rtęciowa niskociśnieniowa) | 4,88 eV |
| 265 nm (dioda UVC LED) | 4,68 eV |
| 280 nm (dioda UVC LED) | 4,43 eV |
| 365 nm (dioda UVA LED) | 3,40 eV |
| 405 nm | 3,06 eV |
Przykład obliczeniowy dla 365 nm: E = 1239,842 / 365 = 3,397 eV, co odpowiada 5,44 · 10⁻¹⁹ J.
Wzór opisuje pojedynczy foton o jednej długości fali. Lampa rtęciowa średniociśnieniowa emituje wiele linii, a LED — pasmo o typowej szerokości od 10 do 15 nm w połowie maksimum (FWHM) — tutaj długość fali centroidalnej jest jedynie przybliżeniem, a dokładna praca wymaga integrowania widma. Energia fotonu nie mówi też nic o ilości promieniowania; do tego potrzebne jest natężenie napromienienia lub strumień fotonów.
Najczęściej zadawane pytania
Za pomocą wzoru E = h · c / λ. W praktyce zwykle wystarcza uproszczona postać E[eV] = 1239,842 / λ[nm]: dla 365 nm otrzymujemy 3,40 eV, dla 254 nm otrzymujemy 4,88 eV.
Za pomocą tego samego krótkiego wzoru. Zależność jest odwrotnie proporcjonalna, a nie liniowa — połowa długości fali oznacza dwukrotnie większą energię.
Ponieważ pojedynczy foton ma wyższą energię. Przy 254 nm energia fotonu przekracza energię wiązania wielu wiązań organicznych, natomiast przy 365 nm nie. Dlatego UV-C działa bezpośrednio na DNA, podczas gdy UV-A działa głównie poprzez etapy pośrednie. Klasyfikacja zakresów jest opisana w zakresach widmowych i normach.
λ = 1239,842 / 3,2 ≈ 387 nm. Dla niezawodnego wzbudzenia w praktyce wybiera się nieco krótszą długość fali, około 365 lub 375 nm.
Nie. Wewnątrz ośrodka długość fali skraca się o współczynnik załamania, ale częstotliwość, a tym samym energia, pozostają takie same. We wzorach należy stosować długość fali w próżni.
To ona decyduje, czy fotoinicjator w ogóle zostanie wzbudzony. Jeśli długość fali nie odpowiada zakresowi absorpcji inicjatora, nawet wysoka dawka nie pomoże. Więcej na ten temat pod adresem fotoinicjatory i absorbery UV.
Autor: dr inż. Mark Paravia
Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po pracach badawczych nad impulsowymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej na KIT, jego obecnym obszarem zainteresowań jest technika pomiaru promieniowania optycznego. Jest wiceprzewodniczącym Komitetu Normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie Optyczne" oraz członkiem Grupy Projektowej DVGW ds. Dezynfekcji UV.
