Электронвольт

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 измерения энергии в физике, широко используемая в твердотельном , атомном , ядерном и физике элементарных частиц . 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.

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 / с ² является

${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot 1\;{\text{V}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}})^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$

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 энергию (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:

${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\cdot (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}\cdot {\text{m}}/{\text{s}}.}$

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 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:

${\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ {\mbox{J s}}=6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ {\mbox{eV s}}.}$

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:

${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\cdot (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}\cdot {\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$

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 :

${\displaystyle {1 \over k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J/eV}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K/eV}}.}$

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

${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}$ ${\displaystyle ={\frac {(4.135\ 667\ 516\times 10^{-15}\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{s}})(299\ 792\ 458\,{\mbox{m/s}})}{\lambda }}}$

где h - постоянная Планка , c - скорость света . Это сводится к

${\displaystyle E{\mbox{(eV)}}=4.135\ 667\ 516\,{\mbox{feVs}}\cdot \nu \ {\mbox{(PHz)}}}$ ${\displaystyle ={\frac {1\ 239.841\ 93\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{nm}}}{\lambda \ {\mbox{(nm)}}}}.}$^[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${\displaystyle k_{B}T}$
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${\displaystyle E_{g}}$
720 мэВ	энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в германии${\displaystyle E_{g}}$
< 120 мэВ	приблизительная энергия покоя нейтрино (сумма трех ароматов) [14]
25 мэВ	Тепловая энергия , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергию${\displaystyle k_{B}T}$ 38 мэВ
230 мкэВ	Тепловая энергия, , из космического микроволнового фона${\displaystyle k_{B}T}$

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 молей частиц, каждая с энергией E эВ, равна E · F · n .

См. Также [ править ]

• По порядку величины (энергия)

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• BIPM определение электронвольт
• ссылка на физические константы; CODATA данные