Электронвольт

Сюда перенаправляются несколько терминов. Чтобы узнать о других значениях, см. MEV (значения) , KEV (значения) , GEV (значения) , TEV (значения) и PEV (значения) .

В физике электронвольт ускоряющимся (символ эВ ), также называемый электрон-вольт и электрон-вольт , является мерой количества кинетической энергии, полученной одним электроном, за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме . При использовании в качестве единицы энергии числовое значение 1 эВ в джоулях (символ J) равно численному значению заряда электрона в кулонах (символ C). В соответствии с переопределением основных единиц СИ в 2019 году 1 эВ будет равен точному значению 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ Дж . ‍

Исторически электронвольт был разработан в качестве стандартной единицы измерения благодаря его полезности в науке об электростатических ускорителях частиц , поскольку частица с электрическим зарядом q получает энергию E = qV после прохождения через напряжение V .

Определение и использование

Электронвольт — это количество энергии, полученное или потерянное одним электроном , когда он проходит через разность электрических потенциалов в один вольт . Следовательно, он имеет значение в один вольт , что составляет 1 Дж/Кл , умноженный на элементарный заряд e = 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ С. ​ ‍ Следовательно, один электронвольт равен 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ Дж . ‍

Электронвольт (эВ) — единица энергии, но не единица СИ . Это широко используемая единица энергии в физике, широко используемая в физике твердого тела , атомной , ядерной физике и физике элементарных частиц , а также в астрофизике высоких энергий . Обычно используется с префиксами СИ милли-(10 ^-3 ), кило-(10 ³ ), мега-(10 ⁶ ), высота-(10 ⁹ ), что-(10 ¹² ), карта-(10 ¹⁵ ) или экса-(10 ¹⁸ ). Давая мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ соответственно. Единицей энергии в системе СИ является джоуль (Дж).

В некоторых старых документах, а также в названии Беватрона используется символ BeV, где «B» означает миллиард . Таким образом, символ БэВ эквивалентен ГэВ, хотя ни один из них не является единицей СИ.

Связь с другими физическими свойствами и единицами

Количество	Единица	Значение единицы измерения СИ
энергия	эВ	1.602 176 634 × 10 −19  J Дж
масса	эВ/ c 2	1.782 661 92 × 10 −36 кг
импульс	эВ/ c	5.344 285 99 × 10 −28 кг·м/с
температура	эВ/ к Б	11 604 .518 12 К
время	ħ /эВ	6.582 119 × 10 −16 с
расстояние	ħc /эВ	1.973 27 × 10 −7 м

В областях физики, в которых используется электронвольт, другие величины обычно измеряются с использованием единиц, полученных из электронвольта, поскольку часто используются фундаментальные константы, важные для теории.

Масса

По эквивалентности массы и энергии электронвольт соответствует единице массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто меняются местами, массу принято выражать в единицах эВ/ с. ² , где c — скорость света в вакууме (из E = mc ² ). Массу принято неофициально выражать в эВ как единицу массы , эффективно используя систему натуральных единиц с с , равным 1. Килограммовый / эквивалент 1 эВ c ² является:

$$1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{C}})\times 1\,{\text{V}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.$$

Например, электрон и позитрон , каждый с массой 0,511 МэВ/ с. ² , может аннигилировать с получением 1,022 МэВ энергии . Протон . имеет массу 0,938 ГэВ/ с ² . В целом массы всех адронов порядка 1 ГэВ/ с. ² , что делает ГэВ/ с ² удобная единица массы для физики элементарных частиц:

1 ГэВ/ с ² = 1.782 661 92 × 10 ⁻²⁷ кг .

Константа атомной массы ( m _u ), составляющая одну двенадцатую массы атома углерода-12, близка к массе протона. Для перевода в электронвольтный эквивалент массы используйте формулу:

m _u = 1 Да = 931,4941 МэВ/ c ² = 0,931 4941 ГэВ/ c ² .

Импульс

Разделив кинетическую энергию частицы в электронвольтах на фундаментальную константу c частицы (скорость света), можно описать импульс в единицах эВ/ с . В натуральных единицах измерения, в которых фундаментальная константа скорости c численно равна 1, c можно неофициально опустить, чтобы выразить импульс с использованием единицы электронвольта.

Соотношение энергия -импульс в натуральных единицах , $E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$, представляет собой уравнение Пифагора , которое можно представить в виде прямоугольного треугольника , в котором полная энергия $E$ это гипотенуза и импульс $p$ и масса покоя $m_{0}$ это две ноги .

Соотношение энергии и импульса $$E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}$$ в натуральных единицах (с $c=1$) $$E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$$ является уравнением Пифагора . Когда относительно высокая энергия приложена к частице с относительно низкой массой покоя , ее можно аппроксимировать как $E\simeq p$ в физике высоких энергий, так что приложенная энергия, выраженная в единицах эВ, обычно приводит к приблизительно эквивалентному численному изменению импульса, если выражать ее в единицах эВ/ с .

Размерность импульса равна T ⁻¹ Л М . Размерность энергии равна T ⁻² л ² М. ​Деление единицы энергии (например, эВ) на фундаментальную константу (например, скорость света), имеющую размерность скорости ( T ⁻¹ L ) облегчает необходимое преобразование для использования единицы энергии для количественного определения импульса.

Например, если импульс p электрона равен 1 ГэВ/ c , то переход в систему единиц MKS может быть достигнут следующим образом: $$p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.$$

Расстояние

В физике элементарных частиц широко используется система натуральных единиц, в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка ħ безразмерны и равны единице: c = ħ = 1 . В этих единицах и расстояния, и время выражаются в обратных единицах 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 представляются в единицах обратной массы частиц.

Вне этой системы единиц коэффициенты перевода между электронвольтом, секундой и нанометром следующие: $$\hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .$$

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,
Б ⁰
Время жизни мезона составляет 1,530(9) пикосекунд , средняя длина распада cτ = 459,7 мкм или ширина распада 4,302(25) × 10. ⁻⁴ эВ .

И наоборот, крошечные различия в массах мезонов, ответственные за мезонные колебания, часто выражаются в более удобных обратных пикосекундах.

Энергия в электронвольтах иногда выражается через длину волны света с фотонами той же энергии: $${\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.$$

Температура

В некоторых областях, таких как физика плазмы , для выражения температуры удобно использовать электронвольт. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для перевода в шкалу Кельвина : $${1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},$$ где k _B — постоянная Больцмана .

B Значение k _{предполагается} при использовании электронвольта для выражения температуры, например, типичная термоядерная плазма с магнитным удержанием составляет 15 кэВ (килоэлектронвольт), что равно 174 МК (мегакельвин).

В приближении: k _B T составляет около 0,025 эВ (≈ ⁠ 290 К / 11604 К/эВ ⁠ ) при температуре 20 °C .

Длина волны

Энергия фотонов видимого спектра в эВ

График зависимости длины волны (нм) от энергии (эВ)

Энергия E , частота ν и длина волны λ фотона связаны соотношением $$E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}$$ где h — постоянная Планка , c — скорость света . Это сводится к $${\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}$$ Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию примерно 2,33 эВ . Аналогично, 1 эВ будет соответствовать инфракрасному фотону с длиной волны 1240 нм или частотой 241,8 ТГц .

Эксперименты по рассеянию

В эксперименте по рассеянию ядер при низких энергиях энергию ядерной отдачи принято называть в единицах эВр, кэВр и т. д. Это отличает энергию ядерной отдачи от «электронного эквивалента» энергии отдачи (эВи, кэВи и т. д.) измеряется сцинтилляционным светом. Например, выход фототрубки измеряется в phe/keVee ( фотоэлектронов на электронно-эквивалентную энергию кэВ). Соотношение между eV, eVr и eVee зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.

Сравнение энергии

Частота фотонов в зависимости от энергии частицы в электронвольтах . Энергия фотона меняется только в зависимости от частоты фотона, связанной со скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и массы покоя .

Легенда
γ: гамма-лучи	МИР: средний инфракрасный диапазон	ВЧ: высокая частота.
HX: жесткие рентгеновские лучи	FIR: дальний инфракрасный диапазон	СЧ: средняя частота.
SX: мягкие рентгеновские лучи	радиоволны	НЧ: низкая частота.
EUV: крайний ультрафиолет	КВЧ: чрезвычайно высокая частота.	VLF: очень низкая частота.
НУФ: ближний ультрафиолет	СВЧ: сверхвысокая частота.	УНЧ: сверхнизкая частота.
видимый свет	УВЧ: сверхвысокая частота.	SLF: сверхнизкая частота.
БИК: ближний инфракрасный диапазон	УКВ: очень высокая частота.	ELF: чрезвычайно низкая частота.

Энергия	Источник
3 × 10 58  Q эВ	масса-энергия всей обычной материи в наблюдаемой Вселенной
52,5 Q эВ	энергия, выделяющаяся при взрыве мощностью 20 килотонн в тротиловом эквиваленте (например, мощность ядерного оружия в «Толстяк» бомбе деления )
12,2 Р эВ	Планковская энергия
10  Y eV	приблизительная энергия Великого объединения
300 Э эВ	первая наблюдаемая частица космических лучей сверхвысокой энергии , так называемая частица «О-Мой-Боже»
62,4 Э эВ	энергия, потребляемая 10-ваттным устройством (например, типичным светодиодная лампочка ) за одну секунду ( 10 Вт = 10 Дж/с ≈ 6,24 × 10 19 эВ/с )
2 П эВ	нейтрино самой высокой энергии, обнаруженное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде.
14 ТэВ	рассчитанная энергия столкновения центра масс протонов на Большом адронном коллайдере (с момента запуска 30 марта 2010 г. работала при энергии 3,5 ТэВ, в мае 2015 г. достигла 13 ТэВ)
1 ТэВ	0,1602 мкДж , около кинетической энергии летающего комара.
172 ГэВ	энергия массы покоя топ -кварка , самой тяжелой элементарной частицы , для которой это было определено
125,1 ± 0,2 ГэВ	энергия массы покоя бозона Хиггса , измеренная двумя отдельными детекторами на БАК с достоверностью лучше 5 сигм.
210 МэВ	средняя энергия, выделяющаяся при делении одного Pu-239 атома
200 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяющаяся при делении ядра одного атома U-235 .
105,7 МэВ	энергия массы мюона покоя
17,6 МэВ	средняя энергия, выделяющаяся при синтезе дейтерия ядерном и трития с образованием He-4 ; это 0,41 ПДж на килограмм произведенной продукции
2 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая нейтроном ядерного деления , высвободившимся из одного U-235 атома .
1,9 МэВ	энергия массы покоя верхнего кварка , кварка с наименьшей массой.
1 МэВ	0,1602 пДж , что примерно вдвое превышает энергию массы покоя электрона.
от 1 до 10 кэВ	приблизительная тепловая энергия , кБТ и . , в синтеза , таких как ядро ​​Солнца , магнитно -удерживаемая плазма , инерционное удержание системах ядерного ядерное оружие
13,6 эВ	энергия, необходимая для ионизации атомарного водорода ; Энергия молекулярных связей составляет порядка от 1 до 10 эВ на связь.
от 1,65 до 3,26 эВ	диапазон энергии фотонов $({\tfrac {hc}{\lambda }})$ видимого спектра от красного до фиолетового
1,1 эВ	энергия $E_{g}$ необходим для разрыва ковалентной связи в кремнии
720 мэВ	энергия $E_{g}$ необходим для разрыва ковалентной связи в германии
< 120 мэВ	верхняя граница энергии массы покоя нейтрино ) (сумма трех ароматов
38 мэВ	средняя кинетическая энергия , ⁠ 3 / 2 ⁠ k B T , одной молекулы газа при комнатной температуре
25 мэВ	энергия , кБТ тепловая , при комнатной температуре
230 мкэВ	тепловая энергия , k B T , при температуре космического микроволнового фонового излучения ~ 2,7 кельвина

Молярная энергия

Каждый моль частиц с энергией 1 эВ имеет примерно 96,5 кДж энергии – это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈ 96 485 Кл⋅моль). ⁻¹ ), где энергия в джоулях n молей частиц с энергией E eV каждая равна E · F · n .

См. также

• Порядки величины (энергия)

Внешние ссылки

• Фундаментальные физические константы от NIST