Электронвольт - Electronvolt
В физике , электронвольт (символ эВ , также записывается электронвольт и электрон - вольт ) является мерой количества кинетической энергии , полученным с помощью 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.
Исторически электронвольт был разработан как стандартная единица измерения из-за его полезности в науках об электростатических ускорителях частиц , поскольку 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.
Измерение | Ед. изм | Значение единицы в системе 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
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 . Следовательно, один электронвольт равен1.602 176 634 × 10 −19 Дж .
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
По эквивалентности массы и энергии электронвольт также является единицей массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто меняются местами, масса выражается 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. 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. Чтобы преобразовать в электрон-вольты, используйте формулу:
- 1 u = 931,4941 МэВ / c 2 =0,931 4941 ГэВ / c 2 .
Импульс
В физике высоких энергий электронвольт часто используется как единица импульса . 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 импульса единиц Т -1 л М . Размеры энергетических единиц Т -2 л 2 М . Затем деление единиц энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, которая имеет единицы скорости ( T −1 L ), 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 .
Постоянная фундаментальной скорости c часто опускается 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
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 различия 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
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 .
Характеристики
Энергия E , частота v и длина волны λ фотона связаны соотношением
где h - постоянная Планка , c - скорость света . Это сводится к
Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно2.33 эВ . Сходным образом,1 эВ соответствует инфракрасному фотону с длиной волны1240 нм или частота241,8 ТГц .
Эксперименты по рассеянию
В экспериментах по низкоэнергетическому ядерному рассеянию обычно называют энергию отдачи ядра 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
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 ) | Первая наблюдаемая частица космических лучей сверхвысокой энергии , так называемая частица Oh-My-God . |
2 ПэВ | два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, обнаруженное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде |
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 |
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 |
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 ядерном синтезе из дейтерия и трития 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 3 ароматов) |
25 мэВ | Тепловая энергия , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергию 38 мэВ |
230 мкэВ | Тепловая энергия, , из космического микроволнового фона |
На моль
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 .