Электронвольт - Electronvolt

В физика, электронвольт (символ эВ, также написано электрон-вольт и электрон-вольт) - количество кинетическая энергия полученный одним электрон ускорение от отдыха через разность электрических потенциалов одного вольт в вакууме. При использовании в качестве единица энергии численное значение 1 эВ в джоули (символ J) эквивалентно числовому значению заряда электрона в кулоны (символ C). Под 2019 новое определение базовых единиц СИ, это устанавливает 1 эВ равным точному значению 1.602176634×10⁻¹⁹ Дж.^[1]

Исторически электронвольт был разработан как стандартная единица измерения из-за его полезности в электростатический ускоритель частиц науки, потому что частица с электрический заряд q имеет энергию E = qV после прохождения потенциала V; если q указывается в целых единицах элементарного заряда и потенциала в вольт, получаем энергию в эВ.

Это обычное единица энергии в физике, широко используется в твердое состояние, атомный, ядерный, и физика элементарных частиц. Обычно используется с метрические префиксы милли-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или экса- (мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ соответственно). В некоторых старых документах и ​​в названии Беватрон используется символ BeV, обозначающий миллиард (10⁹) электронвольт; это эквивалентно ГэВ.

Определение

Электронвольт - это количество кинетической энергии, полученной или потерянной одним электрон ускорение от отдыха через разность электрических потенциалов одного вольт в вакууме. Следовательно, он имеет значение один вольт, 1 Дж / К, умноженное на элементарный заряд е, 1.602176634×10⁻¹⁹ C.^[2] Следовательно, один электронвольт равен 1.602176634×10⁻¹⁹ J.^[3]

Электронвольт, в отличие от вольт, не является Единица СИ. Электронвольт (эВ) - это единица измерения энергии, а вольт (В) - производная единица измерения электрического потенциала в системе СИ. В системе СИ единица измерения энергии - джоуль (Дж).

Масса

К эквивалентность массы и энергии, то электронвольт также является единицей масса. Это распространено в физика элементарных частиц, где единицы массы и энергии часто меняются местами, чтобы выразить массу в единицах эВ /c², куда c это скорость света в вакууме (от E = MC² ). Обычно массу просто выражают через «эВ» как единица массы, эффективно используя систему натуральные единицы с c установлен на 1.^[4] Массовый эквивалент 1 эВ /c² является

${displaystyle 1; {ext {eV}} / c ^ {2} = {frac {(1.602 176 634 imes 10 ^ {- 19}; {ext {C}}) cdot 1; {ext {V}}} { (2,99 792 458 imes 10 ^ {8}; {ext {m}} / {ext {s}}) ^ {2}}} = 1,782 661 92 imes 10 ^ {- 36}; {ext {kg}}. }$

Например, электрон и позитрон, каждая с массой 0,511 МэВ /c², может уничтожать уступить 1.022 МэВ энергии. В протон имеет массу 0,938 ГэВ /c². В общем, массы всех адроны порядка 1 ГэВ /c², что делает ГэВ (гигаэлектронвольт) удобной единицей массы для физики элементарных частиц:

1 ГэВ /c² = 1.78266192×10⁻²⁷ кг.

В единая атомная единица массы (u), почти ровно 1 грамм, разделенный на Число Авогадро, почти масса атом водорода, которая в основном является массой протона. Для преобразования в электронвольты используйте формулу:

1 u = 931,4941 МэВ /c² = 0.9314941 ГэВ /c².

Импульс

В физика высоких энергий, электронвольт часто используется как единица измерения импульс. 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.

Размеры единиц импульса: LMТ⁻¹. Размеры энергоблоков равны L²MТ⁻². Затем, разделив единицы энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, имеющую единицы скорости (LТ⁻¹), облегчает необходимое преобразование использования единиц энергии для описания импульса. 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 упавший от единиц количества движения путем определения единиц длины, чтобы значение c это единство. Например, если импульс п электрона называется 1 ГэВ, то преобразование в MKS может быть достигнуто:

${displaystyle p = 1; {ext {GeV}} / c = {frac {(1 imes 10 ^ {9}) cdot (1.602 176 634 imes 10 ^ {- 19}; {ext {C}}) cdot (1 ; {ext {V}})} {(2,99 792 458 imes 10 ^ {8}; {ext {m}} / {ext {s}})}} = 5,344 286 imes 10 ^ {- 19}; {ext {kg}} cdot {ext {m}} / {ext {s}}.}$

Расстояние

В физика элементарных частиц, система «естественных единиц», в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка час безразмерны и равны единице. c = час = 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, частица длины рассеяния часто выражаются в единицах обратной массы частиц.

Вне этой системы единиц коэффициенты преобразования электронвольт, секунды и нанометра следующие:

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

Приведенные выше соотношения также позволяют выразить средняя продолжительность жизни τ нестабильной частицы (в секундах) с точки зрения ее ширина распада Γ (в эВ) через Γ = час/τ. Например, B⁰ мезон имеет срок службы 1,530 (9)пикосекунды, средняя длина распада cτ = 459,7 мкм, или ширина спада (4.302±25)×10⁻⁴ эВ.

И наоборот, крошечные различия масс 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:

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

Температура

В определенных областях, например физика плазмы, для выражения температуры удобно использовать электронвольт. Электронвольт делится на Постоянная Больцмана преобразовать в Шкала Кельвина:

${displaystyle {1 over k_ {ext {B}}} = {1.602 176 634 imes 10 ^ {- 19} {ext {J / eV}} более 1.380 649 imes 10 ^ {- 23} {ext {J / K} }} = 11 604,518 12 {ext {K / eV}}.}$

Где k_B это Постоянная Больцмана, K - Кельвин, J - Джоули, эВ - электронвольты.

В k_B предполагается при использовании электронвольт для выражения температуры, например, типичный термоядерный синтез с магнитным удержанием плазма 15 кэВ (килоэлектронвольт), что равно 170 МК (миллион Кельвинов).

В качестве приближения: k_BТ около 0,025 эВ (≈ 290 К/11604 К / эВ) при температуре 20 ° C.

Характеристики

Энергия фотонов видимого спектра в эВ

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

Энергия E, частота v, и длина волны λ фотона связаны соотношением

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

куда час это Постоянная Планка, c это скорость света. Это сводится к

${displaystyle E {mbox {(eV)}} = 4,135 667 516, {mbox {feVs}} cdot u {mbox {(PHz)}}}$ ${displaystyle = {frac {1 239.841 93, {mbox {eV}}, {mbox {nm}}} {lambda {mbox {(nm)}}}}.}.}$^[1]

Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно 2.33 эВ. По аналогии, 1 эВ соответствовал бы инфракрасному фотону с длиной волны 1240 нм или частота 241,8 ТГц.

Эксперименты по рассеянию

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 мерцание свет. Например, доходность фототрубка измеряется в phe / keVee (фотоэлектроны на кэВ энергию 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

Частота фотона в зависимости от энергии частицы в электронвольтах. В энергия фотона изменяется только с частотой фотона, связанной постоянной скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и масса покоя.^[7][8][9] Легенда

γ: Гамма излучение	MIR: средний инфракрасный	ВЧ: Высокая частота.
HX: жесткий Рентгеновские лучи	FIR: Дальний инфракрасный порт	MF: Средняя частота.
SX: мягкие рентгеновские лучи	Радиоволны	LF: Низкая частота.
EUV: экстремальный ультрафиолетовый	КВЧ: Чрезвычайно высокая частота.	VLF: Очень низкая частота.
NUV: Ближний ультрафиолет	СВЧ: Супер высокая частота.	VF / ULF: Голосовая частота.
Видимый свет	УВЧ: Ультра высокая частота.	SLF: Супер низкая частота.
БИК: Рядом Инфракрасный	УКВ: Очень высокая частота.	ELF: Чрезвычайно низкая частота.
		Частота: Частота

Энергия	Источник
5.25×1032 эВ	общая энергия, выпущенная из 20kt устройство ядерного деления
1.22×1028 эВ	то Планковская энергия
10 Y эВ (1×1025 эВ)	приблизительный энергия великого объединения
~624 E эВ (6.24×1020 эВ)	энергия, потребляемая одной 100-ваттной лампочкой за одну секунду (100 Вт = 100 Дж / с ≈ 6.24×1020 эВ / с)
300 E эВ (3×1020 эВ = ~50 J)	[10] так называемой О-мой-Бог частица (самая энергичная частица космических лучей из когда-либо наблюдавшихся)
2 ПэВ	два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, зарегистрированное Кубик льда нейтринный телескоп в Антарктиде[11]
14 ТэВ	расчетная энергия столкновения протонов с центром масс на Большой адронный коллайдер (работала 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 J, о кинетической энергии летящего комар[12]
172 ГэВ	энергия покоя верхний кварк, самый тяжелый мерный элементарная частица
125,1 ± 0,2 ГэВ	энергия, соответствующая массе бозон Хиггса, измеренная двумя отдельными детекторами на LHC с уверенностью лучше, чем 5 сигма[13]
210 МэВ	средняя энергия, выделяемая при делении одного Pu-239 атом
200 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая в ядерное деление осколки деления одного U-235 атом.
105,7 МэВ	энергия покоя мюон
17,6 МэВ	средняя энергия, выделяемая в слияние из дейтерий и тритий формировать He-4; это 0,41 ПДж на килограмм произведенной продукции
2 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая в ядерное деление нейтрон вышел из одного U-235 атом.
1,9 МэВ	энергия покоя вверх кварк, кварк с наименьшей массой.
1 МэВ (1.602×10−13 J)	примерно вдвое больше энергия отдыха электрона
От 1 до 10 кэВ	приблизительная тепловая температура, ${displaystyle k_ {B} T}$, в термоядерная реакция системы, как ядро солнце, магнитно-удерживаемая плазма, инерционное удержание и ядерное оружие
13,6 эВ	энергия, необходимая для ионизировать атомарный водород; молекулярный энергии связи находятся на порядок из 1 эВ к 10 эВ за облигацию
1,6 эВ к 3,4 эВ	то энергия фотона видимого света
<2 эВ	приблизительная энергия покоя нейтрино
1,1 эВ	энергия ${displaystyle E_ {g}}$ требуется, чтобы сломать ковалентный связь в кремний
720 мэВ	энергия ${displaystyle E_ {g}}$ требуется, чтобы сломать ковалентный связь в германий
25 мэВ	тепловая энергия, ${displaystyle k_ {B} T}$, при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет средняя кинетическая энергия 38 мэВ
230 мкэВ	тепловая энергия, ${displaystyle k_ {B} T}$, из космический микроволновый фон

На моль

Один моль частиц с энергией 1 эВ имеет примерно 96,5 кДж энергии - это соответствует Постоянная Фарадея (F ≈ 96485 С моль⁻¹), где энергия в джоулях п молей частиц, каждая с энергией E эВ равно E·F·п.

Смотрите также

• По порядку величины (энергия)

Рекомендации

внешняя ссылка

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