Что нужно знать
Фотон — это частица света, которая переносит энергию и импульс электромагнитного излучения. Энергия фотона определяется формулой E = hν, где E — энергия фотона (Дж), h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с — постоянная Планка, ν — частота излучения (Гц). Поскольку частота и длина волны связаны соотношением c = λν, энергию фотона можно также вычислить по формуле E = hc / λ, где c = 3 · 10⁸ м/с — скорость света в вакууме, λ — длина волны (м). Чем больше частота света, тем больше энергия его фотонов, а чем больше длина волны, тем меньше энергия фотона. Фотон не имеет электрического заряда и массы покоя, но обладает энергией и импульсом, который определяется формулой p = E / c, где p — импульс (кг·м/с). Фотоны испускаются и поглощаются веществом отдельными порциями, что объясняет квантовые свойства света. Например, в солнечной батарее фотоны солнечного света передают энергию электронам, благодаря чему возникает электрический ток. Типичная ошибка учеников — считать, что при увеличении интенсивности света обязательно увеличивается энергия каждого фотона: на самом деле при неизменной частоте увеличивается прежде всего количество фотонов, падающих на поверхность за единицу времени.
Тест: 12 вопросов
Выберите ответ в каждом вопросе и нажмите «Проверить ответы» — появятся правильные ответы и пояснения.
1. Что называют фотоном?
- Частицу, из которой состоят звуковые волны
- Частицу вещества, обладающую отрицательным электрическим зарядом
- Частицу света, являющуюся квантовой порцией электромагнитного излучения
- Электрически заряженную частицу, входящую в состав атомного ядра
Фотон — квант электромагнитного излучения, который переносит определённую энергию. Он не имеет электрического заряда и относится к частицам света.
2. Какая единица измерения энергии фотона используется в Международной системе единиц (СИ)?
- Герц (Гц)
- Ньютон (Н)
- Ватт (Вт)
- Джоуль (Дж)
Энергия фотона измеряется в джоулях. Герц является единицей частоты, ньютон — силы, а ватт — мощности.
3. Как изменяется энергия фотона при увеличении частоты электромагнитного излучения?
- Увеличивается прямо пропорционально частоте
- Увеличивается обратно пропорционально частоте
- Не изменяется
- Уменьшается прямо пропорционально частоте
Энергия фотона определяется формулой E = hν. Постоянная Планка неизменна, поэтому при увеличении частоты энергия фотона возрастает пропорционально.
4. Какое утверждение правильно описывает фотон?
- Фотон имеет положительный электрический заряд
- Фотон не имеет электрического заряда и массы покоя
- Фотон имеет отрицательный электрический заряд
- Фотон имеет ненулевую массу покоя и неподвижен в вакууме
Фотон электрически нейтрален и имеет нулевую массу покоя. При этом он обладает энергией и импульсом и движется в вакууме со скоростью света.
5. Два источника испускают свет одинаковой частоты, но разной интенсивности. Какое утверждение верно?
- Фотоны более интенсивного света имеют большую энергию
- Фотоны менее интенсивного света имеют большую энергию
- Фотоны обоих источников имеют одинаковую энергию, но более интенсивный свет может содержать больше фотонов за единицу времени
- Частота фотонов увеличивается вместе с интенсивностью света
Энергия отдельного фотона определяется только его частотой по формуле E = hν. При одинаковой частоте увеличение интенсивности связано с увеличением потока фотонов.
6. Почему ультрафиолетовое излучение способно вызывать более сильное фотохимическое воздействие, чем видимый свет?
- Ультрафиолетовые фотоны обладают электрическим зарядом
- Скорость ультрафиолетовых фотонов в вакууме больше скорости видимых фотонов
- Фотоны ультрафиолетового излучения имеют меньшую энергию из-за большей длины волны
- Фотоны ультрафиолетового излучения имеют большую энергию из-за более высокой частоты
Ультрафиолет имеет более высокую частоту, чем видимый свет. Согласно формуле E = hν, энергия его фотонов больше.
7. Частота света равна 5 · 10¹⁴ Гц. Определите энергию одного фотона. Примите h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с.
- 3,32 · 10⁻¹⁹ Дж
- 3,32 · 10⁻¹⁹ Вт
- 1,33 · 10⁻¹⁹ Дж
- 3,32 · 10⁻²⁰ Дж
Используем формулу E = hν. E = 6,63 · 10⁻³⁴ · 5 · 10¹⁴ = 3,315 · 10⁻¹⁹ Дж ≈ 3,32 · 10⁻¹⁹ Дж.
8. Длина волны света в вакууме равна 600 нм. Определите энергию одного фотона. Примите h = 6,63 · 10⁻³⁴ Дж·с, c = 3 · 10⁸ м/с.
- 6,63 · 10⁻²⁰ Дж
- 3,315 · 10⁻¹⁹ Дж
- 1,99 · 10⁻²⁸ Дж
- 3,315 · 10⁻²⁰ Дж
Используем формулу E = hc / λ. Переведём длину волны: 600 нм = 6 · 10⁻⁷ м. E = (6,63 · 10⁻³⁴ · 3 · 10⁸) / (6 · 10⁻⁷) = 3,315 · 10⁻¹⁹ Дж.
9. Частота электромагнитного излучения увеличилась в 3 раза. Во сколько раз изменилась энергия одного фотона?
- Уменьшилась в 3 раза
- Не изменилась
- Увеличилась в 3 раза
- Увеличилась в 9 раз
Из формулы E = hν следует, что энергия фотона прямо пропорциональна частоте. Поэтому при увеличении частоты в 3 раза энергия также увеличивается в 3 раза.
10. Определите импульс фотона, энергия которого равна 6 · 10⁻¹⁹ Дж. Скорость света в вакууме примите равной 3 · 10⁸ м/с.
- 1,8 · 10⁻¹⁰ кг·м/с
- 2 · 10⁻²⁷ Дж
- 5 · 10⁻¹¹ кг·м/с
- 2 · 10⁻²⁷ кг·м/с
Импульс фотона определяется формулой p = E / c. Подставим значения: p = (6 · 10⁻¹⁹) / (3 · 10⁸) = 2 · 10⁻²⁷ кг·м/с.
11. Как изменится энергия фотона, если длина волны электромагнитного излучения увеличится в 2 раза?
- Уменьшится в 2 раза
- Увеличится в 4 раза
- Увеличится в 2 раза
- Не изменится
Энергия фотона определяется формулой E = hc / λ. Она обратно пропорциональна длине волны, поэтому при увеличении длины волны в 2 раза энергия уменьшается в 2 раза.
12. Фотон света с длиной волны 500 нм поглощается веществом. Какое утверждение правильно описывает этот процесс?
- Фотон сохраняется после поглощения, но теряет скорость
- Фотон передаёт веществу свою энергию целиком
- Энергия фотона обязательно превращается только в механическую энергию
- Вещество поглощает только половину фотона
При поглощении фотон исчезает как отдельная частица, передавая свою энергию веществу. Полученная энергия может, например, увеличить внутреннюю энергию вещества или вызвать другие изменения в нём.