В физике , электронвольт (символ эВ , также записывается электронвольт и электрон - вольт ) представляет собой количество кинетической энергии , накопленное одного электрона ускоряющего из состояния покоя через электрические разности потенциалов одного вольта в вакууме. При использовании в качестве единицы энергии числовое значение 1 эВ в джоулях (символ J) эквивалентно числовому значению заряда электрона в кулонах (символ C). В соответствии с переопределением базовых единиц СИ в 2019 г. это устанавливает 1 эВ равным точному значению.1,602 176 634 × 10 −19 Дж. [1]
Исторически электронвольт был разработан как стандартная единица измерения из-за его полезности в науках об электростатических ускорителях частиц , потому что частица с электрическим зарядом q имеет энергию E = qV после прохождения через потенциал V ; если q указано в целых единицах элементарного заряда и потенциала в вольтах , получается энергия в эВ.
Это обычная единица энергии в физике, широко используемая в твердотельном , атомном , ядерном и физическом аспектах . Он обычно используется с метрическими префиксами милли-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или экса- (мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ соответственно). В некоторых более старых документах и в названии Bevatron используется символ BeV, который обозначает миллиард (10 9 ) электронвольт; это эквивалентно ГэВ.
Измерение | Единица измерения | Значение единицы СИ |
---|---|---|
Энергия | эВ | 1,602 176 634 × 10 −19 Дж |
Масса | эВ / c 2 | 1,782 662 × 10 −36 кг |
Импульс | эВ / c | 5,344 286 × 10 −28 кг · м / с |
Температура | эВ / K B | 1,160 451 812 × 10 4 К |
Время | ħ / эВ | 6.582 119 × 10 −16 с |
Расстояние | ħc / эВ | 1,973 27 × 10 -7 м |
Определение [ править ]
Электронвольт - это количество кинетической энергии, полученной или потерянной одним электроном, ускоряющимся из состояния покоя через разность электрических потенциалов в один вольт в вакууме. Следовательно, он имеет значение один вольт ,1 Дж / Кл , умноженное на элементарный заряд электрона e ,1,602 176 634 × 10 -19 С . [2] Следовательно, один электронвольт равен1.602 176 634 × 10 −19 Дж . [3]
Электронвольт, в отличие от вольта, не является единицей СИ . Электронвольт (эВ) - это единица измерения энергии, тогда как вольт (В) - производная единица измерения электрического потенциала в системе СИ. В системе СИ единица измерения энергии - джоуль (Дж).
Масса [ править ]
По эквивалентности массы и энергии , то электронвольт также единица массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто меняются местами, принято выражать массу в единицах эВ / c 2 , где c - скорость света в вакууме (от E = mc 2 ). Обычно массу просто выражают через «эВ» как единицу массы , эффективно используя систему натуральных единиц с c, равным 1. [4] Массовый эквивалент1 эВ / c 2 равно
Например, электрон и позитрон , каждый с массой0,511 МэВ / c 2 , может аннигилировать с образованием1.022 МэВ энергии. Протон имеет массу0,938 ГэВ / c 2 . В целом массы всех адронов порядка1 ГэВ / c 2 , что делает ГэВ (гигаэлектронвольт) удобной единицей массы для физики элементарных частиц:
- 1 ГэВ / c 2 =1,782 661 92 × 10 −27 кг .
Унифицированная атомная масса единицы (и), почти точно 1 грамм , разделенное на числа Авогадро , почти масса атома водорода , который является в основном , масса протона. Для преобразования в электронвольты используйте формулу:
- 1 u = 931,4941 МэВ / c 2 =0,931 4941 ГэВ / c 2 .
Импульс [ править ]
В физике высоких энергий электронвольт часто используется в качестве единицы количества движения . Разность потенциалов в 1 вольт заставляет электрон набирать количество энергии (т. Е.1 эВ ). Это приводит к использованию эВ (а также кэВ, МэВ, ГэВ или ТэВ) в качестве единиц импульса, поскольку подводимая энергия приводит к ускорению частицы.
Размерности единиц импульса L M T −1 . Размеры энергоблоков L 2 M T −2 . Затем деление единиц энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, которая имеет единицы скорости ( L T -1 ), облегчает необходимое преобразование использования единиц энергии для описания количества движения. В области физики частиц высоких энергий основной единицей скорости является скорость света в вакууме c .
Разделив энергию в эВ на скорость света, можно описать импульс электрона в единицах эВ / c . [5] [6]
Константа основной скорости c часто исключается из единиц количества движения путем определения единиц длины, так что значение c равно единице. Например, если сказать , что импульс p электрона равен1 ГэВ , то преобразование в МКС может быть достигнуто:
Расстояние [ править ]
В физике элементарных частиц , система «естественных единиц» , в которой скорость света в вакууме с , и приведенная постоянная Планка ħ безразмерные и равным единице широко используется: с = ħ = 1 . В этих единицах и расстояния, и время выражаются в единицах обратной энергии (в то время как энергия и масса выражаются в одних и тех же единицах, см. Эквивалентность массы и энергии ). В частности, длины рассеяния частиц часто выражаются в единицах обратной массы частиц.
Вне этой системы единиц коэффициенты преобразования электронвольт, секунды и нанометра следующие:
Приведенные выше соотношения также позволяют выразить среднее время жизни τ нестабильной частицы (в секундах) через ширину ее распада Γ (в эВ) через Γ = ħ / τ . Например, мезон B 0 имеет время жизни 1,530 (9) пикосекунд , средняя длина распада cτ =459,7 мкм или шириной распада(4.302 ± 25) × 10 −4 эВ .
И наоборот, крошечные разности масс мезонов, ответственные за колебания мезонов , часто выражаются в более удобных обратных пикосекундах.
Энергия в электронвольтах иногда выражается через длину волны света с фотонами той же энергии:
Температура [ править ]
В определенных областях, таких как физика плазмы , удобно использовать электронвольт для выражения температуры. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для преобразования в шкалу Кельвина :
Где k B - постоянная Больцмана , K - Кельвин, J - Джоули, eV - электронвольты.
При использовании электронвольт для выражения температуры предполагается k B , например, типичная термоядерная плазма с магнитным удержанием имеет вид15 кэВ ( килоэлектронвольт ), что равно 170 МК (миллион Кельвинов).
В качестве приближения: k B T составляет около0,025 эВ (≈290 К/11604 К / эВ) при температуре 20 ° С .
Свойства [ править ]
Энергия E , частота v и длина волны λ фотона связаны соотношением
где h - постоянная Планка , c - скорость света . Это сводится к
- [1]
Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно2.33 эВ . По аналогии,1 эВ соответствует инфракрасному фотону с длиной волны1240 нм или частота241,8 ТГц .
Эксперименты по рассеянию [ править ]
В экспериментах по низкоэнергетическому ядерному рассеянию энергия отдачи ядра обычно выражается в единицах эВр, кэВр и т. Д. Это отличает энергию отдачи ядра от энергии отдачи "электронного эквивалента" (эВи, кэВи и т. Д.) измеряется сцинтилляционным светом. Например, выход фотоэлемента измеряется в phe / keVee ( фотоэлектроны на кэВ энергии электронного эквивалента). Соотношение между эВ, эВr и эВи зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.
Сравнение энергии [ править ]
Энергия | Источник |
---|---|
5,25 × 10 32 эВ | полная энергия, выделяемая от устройства ядерного деления мощностью 20 кт |
1,22 × 10 28 эВ | энергия Планка |
10 Y эВ (1 × 10 25 эВ ) | приблизительная энергия великого объединения |
~ 624 E эВ (6,24 × 10 20 эВ ) | энергия, потребляемая одной 100-ваттной лампочкой за одну секунду (100 Вт =100 Дж / с ≈6,24 × 10 20 эВ / с ) |
300 E эВ (3 × 10 20 эВ = ~50 Дж ) | [10] так называемая частица О-Боже (самая энергичная частица космических лучей из когда-либо наблюдавшихся) |
2 ПэВ | два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, обнаруженное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде [11] |
14 ТэВ | расчетная энергия столкновения протонов с центром масс на Большом адронном коллайдере (работающем при 3,5 ТэВ с момента запуска 30 марта 2010 г., достигла 13 ТэВ в мае 2015 г.) |
1 ТэВ | триллион электронвольт, или 1.602 × 10 −7 Дж , о кинетической энергии летающего комара [12] |
172 ГэВ | энергия покоя топ-кварка , самой тяжелой измеренной элементарной частицы |
125,1 ± 0,2 ГэВ | энергия, соответствующая массе бозона Хиггса , измеренная двумя отдельными детекторами на LHC с точностью лучше, чем 5 сигма [13] |
210 МэВ | средняя энергия, выделяемая при делении одного атома Pu-239 |
200 МэВ | приблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении осколками деления одного атома U-235 . |
105,7 МэВ | энергия покоя мюона |
17,6 МэВ | средняя энергия , выделяемая в слиянии с дейтерием и тритием с образованием He-4 ; это0,41 ПДж на килограмм произведенной продукции |
2 МэВ | приблизительная средняя энергия, выделяемая в нейтроне ядерного деления, выделяемом одним атомом U-235 . |
1,9 МэВ | энергия покоя ап-кварка , кварка с наименьшей массой. |
1 МэВ (1,602 × 10 −13 Дж ) | примерно вдвое больше энергии покоя электрона |
От 1 до 10 кэВ | приблизительная тепловая температура, в системах ядерного синтеза , таких как ядро Солнца , магнитно-удерживаемая плазма , инерционное удержание и ядерное оружие |
13,6 эВ | энергия, необходимая для ионизации атомарного водорода ; молекулярная энергия связи находится на порядок изОт 1 эВ до10 эВ на облигацию |
1,6 эВ до3,4 эВ | энергия фотона видимого света |
1,1 эВ | энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в кремнии |
720 мэВ | энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в германии |
< 120 мэВ | приблизительная энергия покоя нейтрино (сумма трех ароматов) [14] |
25 мэВ | Тепловая энергия , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергию 38 мэВ |
230 мкэВ | Тепловая энергия, , из космического микроволнового фона |
За моль [ править ]
Один моль частиц с энергией 1 эВ имеет энергию примерно 96,5 кДж - это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈96 485 Кл моль -1 ), где энергия в джоулях n моль частиц, каждая с энергией E эВ, равна E · F · n .
См. Также [ править ]
- По порядку величины (энергия)
Ссылки [ править ]
- ^ a b "Значение CODATA: постоянная Планка в эВ с" . Архивировано 22 января 2015 года . Проверено 30 марта 2015 года .
- ^ «2018 CODATA Value: elementary charge» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «2018 CODATA Value: электрон-вольт» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ Барроу, Дж. Д. «Естественные единицы до Планка». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества 24 (1983): 24.
- ^ «Единицы в физике элементарных частиц» . Пособие для младшего преподавателя . Фермилаб. 22 марта 2002 года. Архивировано 14 мая 2011 года . Проверено 13 февраля 2011 года .
- ^ "Специальная теория относительности" . Виртуальный центр посетителей . SLAC. 15 июня 2009 . Проверено 13 февраля 2011 года .
- ^ Что такое свет? Архивировано 5 декабря 2013 года на Wayback Machine -слайды лекции Калифорнийского университета в Дэвисе.
- ^ Элерт, Гленн. "Электромагнитный спектр. Гипертекст по физике" . hypertextbook.com. Архивировано 29 июля 2016 года . Проверено 30 июля 2016 .
- ^ "Определение частотных диапазонов на" . Vlf.it. Архивировано 30 апреля 2010 года . Проверено 16 октября 2010 .
- ^ Открытые вопросы по физике. Архивировано 8 августа 2014 года нанемецком электронном синхротроне Wayback Machine . Исследовательский центр ассоциации Гельмгольца. Обновлено в марте 2006 г., JCB. Оригинал Джона Баэза.
- ^ "Растущий сигнал астрофизических нейтрино в IceCube теперь показывает нейтрино 2 ПэВ" . Архивировано 19 марта 2015 года.
- ↑ Глоссарий, заархивированный 15 сентября 2014 г. в Wayback Machine - CMS Collaboration, CERN
- ^ АТЛАС ; CMS (26 марта 2015 г.). «Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s = 7 и 8 ТэВ с экспериментами ATLAS и CMS» . Письма с физическим обзором . 114 (19): 191803. arXiv : 1503.07589 . Bibcode : 2015PhRvL.114s1803A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.114.191803 . PMID 26024162 .
- ^ Мертенс, Сюзанна (2016). «Прямые эксперименты с массой нейтрино». Журнал физики: Серия конференций . 718 (2): 022013. arXiv : 1605.01579 . Bibcode : 2016JPhCS.718b2013M . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 718/2/022013 . S2CID 56355240 .
Внешние ссылки [ править ]
- BIPM определение электронвольт
- ссылка на физические константы; CODATA данные