光子能

光子能是单个光子携带的能量。 能量大小直接正比于光子的电磁频率，因此相当于与波长成反比。光子频率越高，能量就越高。等价地，光子波长越长，能量就越低。

光子能可用任何能量单位表示。 而在这些单位中间，常用于描述光子能的是电子伏特（eV）和焦耳（以及它的倍数，如微焦耳）。由于一焦耳等于6.24 × 10¹⁸ eV，更大的单位在描述具有更高能量和频率光子的能量，例如伽马射线时可能更有用，而不常用于描述较低能量光子，如电磁波谱中射频范围的光子。

公式

物理学

光子能直接正比例于频率。^[1]

$${\displaystyle E=hf}$$

 

其中

• ${\displaystyle E}$  表示能量（焦耳）
• ${\displaystyle h}$  表示普朗克常数：6.62607015 × 10⁻³⁴ (m²kgs⁻¹)
• ${\displaystyle f}$  表示频率（赫兹）

这个方程式也叫普朗克-爱因斯坦关系式。

另一种形式如下，

$${\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}$$

 

其中

• ${\displaystyle E}$  表示光子能量（焦耳）
• ${\displaystyle \lambda }$  表示光子的波长（米）
• ${\displaystyle f}$  表示频率（赫兹）
• ${\displaystyle c}$  表示真空中的光速：每秒299792458米
• ${\displaystyle h}$  表示普朗克常数：6.62607015 × 10⁻³⁴ (m²kgs⁻¹)

1 Hz频率下的光子能等于6.62607015 × 10⁻³⁴ J

也等于4.135667697 × 10⁻¹⁵ eV（电子伏特）

电子伏特

能量常用电子伏特计量。

若光子能以电子伏特计、 波长以微米计，则方程大致为

${\displaystyle E{\text{ (eV)}}={\frac {1.2398}{\lambda {\text{ (μm)}}}}}$ 

此方程仅在波长以微米计算时正确。

波长1 μm（接近红外辐射）时，光子能约为1.2398 eV。

在化学、量子物理和光学工程中

请看^[2]

$${\displaystyle E=h{\nu }}$$

 

其中

• ${\displaystyle E}$  表示光子能（焦耳）
• ${\displaystyle h}$  表示普朗克常数：6.62607015 × 10⁻³⁴ (m²kgs⁻¹)
• 希腊字母ν（nu）表示光子的频率

例子

以100 MHz发射信号的调频广播站发射的光子含有约4.1357 × 10⁻⁷ eV能量。这非常少的能量大致是电子质量的8 × 10⁻¹³倍（通过质能关系转换）。

超高能伽马射线具有100 GeV至超过1 PeV（即10¹¹至10¹⁵ 电子伏特），或16纳焦耳至160微焦耳的光子能。^[3]这相当于2.42 × 10^25至2.42 × 10²⁹ Hz的频率。

在光合作用中，特定的叶绿素分子在光系统 I吸收波长700 nm的红色光光子，相当于每个光子含有≈ 2 eV ≈ 3 x 10⁻¹⁹ J ≈ 75 k_BT的能量（这里k_BT表示单位热能）。 要从CO₂和水分子中生成一分子葡萄糖，最少需要48个光子（化学势差5 x 10⁻¹⁸ J），最大能量转换效率35%。

另请参见

• 光子
• 电磁辐射
• 电磁波谱
• 普朗克常数与普朗克单位制
• 普朗克-爱因斯坦关系式

参考资料

 

1. . Photovoltaic Education Network, pveducation.org. [2015-06-21]. （原始内容存档于2016-07-12）. 
2. Andrew Liddle. An Introduction to Modern Cosmology. John Wiley & Sons. 27 April 2015: 16 [2021-11-25]. ISBN 978-1-118-69025-3. （原始内容于2017-02-28）. 
3. Sciences, Chinese Academy of. Observatory discovers a dozen PeVatrons and photons exceeding 1 PeV, launches ultra-high-energy gamma astronomy era. phys.org. [2021-11-25]. （原始内容于2022-01-30） （英语）.