Электронвольт
В физике электронвольт эВ (символ , , также пишется электрон-вольт и электрон-вольт ) — это мера количества кинетической энергии , полученной одним электроном ускоряющимся из состояния покоя за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме . При использовании в качестве единицы энергии числовое значение 1 эВ в джоулях (символ J) эквивалентно численному значению заряда электрона в кулонах (символ C). В соответствии с новым определением основных единиц СИ в 2019 году 1 эВ будет равен точному значению 1,602 176 634 × 10. −19 Дж . [1]
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 [ править ]
Электронвольт — это количество энергии, полученное или потерянное одним электроном при его движении 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. [2] Следовательно, один электронвольт равен 1,602 176 634 × 10. −19 Дж . [1]
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 . Он обычно используется с префиксами СИ милли-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или экза- (что дает 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.
Связь с другими физическими свойствами и единицами измерения [ править ]
| Количество | Единица | Значение единицы измерения СИ |
|---|---|---|
| энергия | эВ | 1.602 176 634 × 10 −19 Дж [1] |
| 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.
Массовый [ править ]
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. [3] Килограммовый эквивалент 1 эВ / c 2 является:
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: [4]
( Константа атомной массы m u ) , составляющая одну двенадцатую массы атома углерода-12, близка к массе протона. Для перевода в электронвольтный эквивалент массы используйте формулу:
Важно [ править ]
Разделив кинетическую энергию частицы в электронвольтах на фундаментальную константу c частицы (скорость света), можно описать импульс в единицах эВ/ с . [5] 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 энергии и импульса
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:
Расстояние [ править ]
В физике элементарных частиц система натуральных единиц, в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка ħ широко используется 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:
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
мезона Время жизни 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:
Температура [ править ]
В некоторых областях, таких как физика плазмы , для выражения температуры удобно использовать электронвольт. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для перевода в шкалу Кельвина :
Значение k B 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°С .
Длина волны [ править ]
Энергия E , частота v и длина волны λ фотона связаны соотношением
![{\displaystyle {\begin{aligned}E\mathrm {(eV)} &=4,135\,667\,516\times 10^{-15}\,\mathrm {eV{\cdot }s} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239,841\ 93\,{\text{eV}}{\cdot }{\text{nm}}}{\lambda }}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e658073d333e70726e7968f4a915c19a1cc7d3c4)
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.
энергии Сравнение
| 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 |
|---|---|
| 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» [10] |
| 62,4 Э эВ | энергия, потребляемая 10-ваттным устройством (например, типичным [11] 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. [12] |
| 14 ТэВ | расчетная 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. [13] |
| 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. [14] |
| 210 МэВ | средняя энергия, выделяющаяся при делении одного Pu-239 атома |
| 200 МэВ | приблизительная средняя энергия, выделяющаяся при делении ядра одного U-235 атома . |
| 105,7 МэВ | энергия массы мюона покоя |
| 17,6 МэВ | средняя энергия, выделяющаяся при синтезе дейтерия трития и ядерном 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 . , 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 ; Энергия молекулярных связей составляет порядка от 1 до 10 эВ на связь. |
| от 1,65 до 3,26 эВ | диапазон энергии фотонов видимого спектра от красного до фиолетового |
| 1,1 эВ | энергия необходим для разрыва ковалентной связи в кремнии |
| 720 мэВ | энергия необходим для разрыва ковалентной связи в германии |
| < 120 мэВ | верхняя граница энергии массы покоя ( нейтрино сумма трех ароматов) [15] |
| 38 мэВ | средняя кинетическая энергия , 3 / 2 k B T , одной молекулы газа при комнатной температуре |
| 25 мэВ | тепловая энергия , кБТ температуре , при комнатной |
| 230 мкэВ | тепловая энергия , k B T , при температуре космического микроволнового фонового излучения ~ 2,7 Кельвина |
По кроту [ 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 с энергией E eV каждая равна E · F · n .
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Перейти обратно: а б с «Значение CODATA 2022: электрон-вольт» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
- ^ «Значение CODATA 2022: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
- ^ Барроу, доктор медицинских наук (1983). «Естественные единицы до Планка». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества . 24 : 24. Бибкод : 1983QJRAS..24...24B .
- ^ Грон Тюдор Джонс. «Единицы энергии и импульса в физике элементарных частиц» (PDF) . Indico.cern.ch . Проверено 5 июня 2022 г.
- ^ «Единицы физики элементарных частиц» . Инструментарий Института младшего преподавателя . Фермилаб. 22 марта 2002 г. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 г. Проверено 13 февраля 2011 г.
- ^ «Значение CODATA: постоянная Планка в эВ·с» . Архивировано из оригинала 22 января 2015 года . Проверено 30 марта 2015 г.
- ^ Что такое Свет? Архивировано 5 декабря 2013 г. в Wayback Machine - Калифорнийского университета в Дэвисе. слайды лекций
- ^ Элерт, Гленн. «Электромагнитный спектр. Гиперучебник по физике» . Hypertextbook.com. Архивировано из оригинала 29 июля 2016 г. Проверено 30 июля 2016 г.
- ^ «Определение полос частот на» . Влф.ит. Архивировано из оригинала 30 апреля 2010 г. Проверено 16 октября 2010 г.
- ^ Открытые вопросы по физике. Архивировано 8 августа 2014 г. в Wayback Machine немецком электронном синхротроне . Исследовательский центр Ассоциации Гельмгольца. Обновлено JCB в марте 2006 г. Оригинал Джона Баэза.
- ^ «Сколько ватт потребляет лампочка?» . ЭнерджиСейдж . Проверено 6 июня 2024 г.
- ^ «Растущий сигнал астрофизических нейтрино в IceCube теперь содержит нейтрино с энергией 2 ПэВ» . 21 мая 2014 г. Архивировано из оригинала 19 марта 2015 г.
- ^ Глоссарий. Архивировано 15 сентября 2014 г. в Wayback Machine - Сотрудничество CMS, ЦЕРН.
- ^ АТЛАС ; ЦМС (26 марта 2015 г.). «Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s=7 и 8 ТэВ с помощью экспериментов ATLAS и CMS» . Письма о физических отзывах . 114 (19): 191803. arXiv : 1503.07589 . Бибкод : 2015PhRvL.114s1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.114.191803 . ПМИД 26024162 .
- ^ Мертенс, Сюзанна (2016). «Прямые эксперименты с массой нейтрино». Физический журнал: серия конференций . 718 (2): 022013. arXiv : 1605.01579 . Бибкод : 2016JPhCS.718b2013M . дои : 10.1088/1742-6596/718/2/022013 . S2CID 56355240 .
