Licht besteht aus Energiepaketen
Licht und andere elektromagnetische Strahlung werden in einzelnen Portionen ausgesandt und absorbiert, den Photonen. Max Planck führte diese Vorstellung 1900 ein, Albert Einstein erklärte damit 1905 den Photoeffekt. Die Energie eines Photons hängt nur von seiner Frequenz ab: Je höher die Frequenz und je kürzer die Wellenlänge, desto energiereicher ist es.
Der Rechner verknüpft Wellenlänge, Frequenz und Energie über die Planck-Konstante und die Lichtgeschwindigkeit. Beide Konstanten sind seit der Reform des Internationalen Einheitensystems 2019 exakt festgelegt. Die Energie erscheint in Elektronenvolt, der in Atom- und Halbleiterphysik üblichen Einheit, und in Joule.
Zusätzlich ordnet der Rechner die Wellenlänge einem Spektralbereich zu, von Röntgen über Ultraviolett und die Farben des sichtbaren Lichts bis zu Infrarot und Radiowellen. Die Grenzen zwischen den Farben sind fließend und werden in der Literatur leicht unterschiedlich angegeben.
Anwendungen von LED bis UV-Strahlung
Bei Leuchtdioden hängt die Farbe von der Bandlücke des Halbleiters ab. Eine rote LED mit 630 nm braucht etwa 2 eV pro Photon, eine blaue mit 450 nm rund 2,76 eV. Deshalb liegt die Durchlassspannung blauer und weißer LEDs höher als die roter. Auch bei Solarzellen bestimmt die Photonenenergie, welches Licht Strom erzeugen kann: Silizium nutzt Photonen ab etwa 1,1 eV, also Wellenlängen unter rund 1.100 nm.
Bei ultravioletter Strahlung reicht die Energie einzelner Photonen aus, chemische Bindungen in Molekülen aufzubrechen. UV-C-Lampen mit 254 nm, deren Photonen 4,88 eV tragen, werden deshalb zur Entkeimung von Wasser und Oberflächen eingesetzt. Dieselbe Eigenschaft macht UV-Strahlung für Haut und Augen schädlich; bei Fragen zum Sonnen- oder Augenschutz hilft ärztlicher Rat.
Die Photonenzahl zeigt, wie viele Teilchen selbst eine schwache Quelle aussendet. Ein Laserpointer mit einem Milliwatt liefert Billiarden Photonen pro Sekunde. Einzelne Photonen nachzuweisen gelingt nur mit sehr empfindlichen Detektoren, wie sie in der Astronomie und der Quantenoptik eingesetzt werden.
Für die Umrechnung von Frequenz und Periodendauer im akustischen Bereich gibt es den Hz-ms-Rechner. Die Wellenlänge im Rechner gilt im Vakuum; in Glas oder Wasser ist sie kürzer, die Frequenz und damit die Energie des Photons bleiben gleich.
Tipps und typische Fehler
Licht in Zahlen.
- Kurzformel: 1239,84 ÷ nm.
- Vakuum: Wellenlänge im Vakuum.
- UV: Hohe Energie.
- Leistung: Ergibt Photonenzahl.
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Häufige Fragen
Wie berechne ich die Energie eines Photons?
Mit E = h · c ÷ λ oder kurz E in eV ≈ 1239,84 geteilt durch die Wellenlänge in Nanometern.
Wie viel Energie hat ein Photon sichtbaren Lichts?
Zwischen etwa 1,6 eV bei tiefem Rot und 3,3 eV bei Violett.
Was ist ein Elektronenvolt?
Die Energie, die ein Elektron beim Durchlaufen von einem Volt gewinnt, genau 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Joule.
Welche Wellenlänge kann eine Siliziumsolarzelle nutzen?
Licht unter etwa 1.100 nm, also Photonen ab rund 1,1 eV.
Haben Radiowellen auch Photonen?
Ja, ihre Photonen tragen nur extrem wenig Energie.
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