Elektrowolt - Electronvolt

W fizyce An elektronowolt (symbol eV także napisany elektronowolt i elektronowolt ) jest miarą ilości energii kinetycznej, uzyskanego przez pojedynczy elektron przyspieszającego od reszty przez różnicę potencjału elektrycznego jednego wolta w próżni. Gdy jest używana jako jednostka energii , wartość liczbowa 1 eV w dżulach (symbol J) jest równoważna wartości liczbowej ładunku elektronu w kulombach (symbol C). Zgodnie z redefinicją jednostek bazowych SI z 2019 r. , ustawi to 1 eV równe dokładnej wartości1,602 176 634 x 10 ^-19 J.

Historycznie, elektronowolt został wymyślony jako standardowa jednostka miary dzięki swojej użyteczności w naukach o akceleratorach cząstek elektrostatycznych , ponieważ cząstka o ładunku elektrycznym q ma energię E = qV po przejściu przez potencjał V ; jeśli q jest podane w jednostkach całkowitych ładunku elementarnego i potencjału w woltach , otrzymujemy energię w eV.

Jest to powszechna jednostka energii w fizyce, szeroko stosowana w fizyce ciała stałego , atomowej , jądrowej i cząstek elementarnych . Jest powszechnie używany z przedrostkami metrycznymi mili-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- lub exa- (odpowiednio meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV i EeV). W niektórych starszych dokumentach oraz w nazwie Bevatron używany jest symbol BeV, oznaczający miliard (10 ⁹ ) elektronowoltów; jest to odpowiednik GeV.

Pomiar	Jednostka	SI wartość jednostki
Energia	eV	1,602 176 634 × 10 ^-19 J
Masa	eV/ c ²	1,782 662 × 10 ⁻³⁶ kg
Pęd	eV/ c	5,344 286 × 10 ⁻²⁸ kg·m/s
Temperatura	eV/ k _B	1,160 451 812 x 10 ⁴ K
Czas	ħ /eV	6.582 119 x 10 ^-16 s
Dystans	c /eV	1,973 27 × 10 ^-7 m

Definicja

Elektronowolt to ilość energii kinetycznej uzyskanej lub utraconej przez pojedynczy elektron przyspieszający ze spoczynku przez różnicę potencjałów elektrycznych wynoszącą jeden wolt w próżni. Stąd ma wartość jednego wolta ,1 J/C pomnożone przez elementarny ładunek elektronu e ,1,602 176 634 × 10 ^-19 C . Dlatego jeden elektronowolt jest równy1,602 176 634 x 10 ^-19 J .

Elektrowolt, w przeciwieństwie do wolta, nie jest jednostką SI . Elektronowolt (eV) jest jednostką energii, podczas gdy wolt (V) jest pochodną jednostką potencjału elektrycznego w układzie SI. Jednostką SI energii jest dżul (J).

Masa

Przez równoważność masy i energii elektronowolt jest również jednostką masy . W fizyce cząstek elementarnych często zamienia się jednostki masy i energii, aby wyrazić masę w jednostkach eV/ c ² , gdzie c jest prędkością światła w próżni (od E = mc ² ). Powszechne jest po prostu wyrażanie masy w postaci „eV” jako jednostki masy , efektywnie przy użyciu systemu jednostek naturalnych z c ustawionym na 1. Równoważnik masy1 eV/ c ² jest

{\ Displaystyle 1 \; {\ tekst {eV}} / c ^ {2} = {\ Frac {(1,602 \ 176 \ 634 \ razy 10 ^ {-19} \; {\ tekst {C}}}) \ cdot 1\;{\text{V}}}{(2,99\ 792\ 458\razy 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}})^{2}}}= 1,782\ 661\ 92\razy 10^{-36}\;{\text{kg}}.}

Na przykład elektron i pozyton , każdy o masie0,511 MeV/ c ² , może anihilować, aby dać1,022 MeV energii. Protonowej ma masę0,938 GeV/ c ² . Ogólnie rzecz biorąc, masy wszystkich hadronów są rzędu1 GeV/ c ² , co sprawia, że GeV (gigaelektronowolt) jest wygodną jednostką masy dla fizyki cząstek elementarnych:

1 GeV/ c ² =1,782 661 92 × 10 ^-27 kg .

Jednostka masy atomowej (u), prawie dokładnie 1 g podzielona przez liczbę Avogadro , jest prawie taka masa atom wodoru , który jest głównie masę protonu. Aby przekonwertować na elektronowolt, użyj wzoru:

1 u = 931,4941 MeV/ c ² =0,931 4941 GeV/ c ² .

Pęd

W fizyce wysokich energii elektronowolt jest często używany jako jednostka pędu . Różnica potencjałów wynosząca 1 wolt powoduje, że elektron zyskuje pewną ilość energii (tj.1 eV ). Powoduje to użycie eV (oraz keV, MeV, GeV lub TeV) jako jednostek pędu, ponieważ dostarczana energia powoduje przyspieszenie cząstki.

Wymiary jednostek pędu to T ^-1L M . Wymiary jednostek energii to T ^-2L ²M . Następnie podzielenie jednostek energii (takich jak eV) przez stałą podstawową, która ma jednostki prędkości ( T ⁻¹L ), ułatwia wymaganą konwersję za pomocą jednostek energii do opisania pędu. W dziedzinie fizyki cząstek wysokoenergetycznych podstawową jednostką prędkości jest prędkość światła w próżni c .

Dzieląc energię w eV przez prędkość światła, można opisać pęd elektronu w jednostkach eV/ c .

Podstawowa stała prędkości c jest często usuwana z jednostek pędu poprzez określenie jednostek długości w taki sposób, że wartość c jest jednością. Na przykład, jeśli mówimy , że pęd p elektronu jest1 GeV , to konwersję do MKS można osiągnąć poprzez:

{\ Displaystyle p = 1 \; {\ tekst {GeV}} / c = {\ Frac {(1 \ razy 10 ^ {9}) \ cdot (1,602 \ 176 \ 634 \ razy 10 ^ {-19} \); {\text{C}})\cdot (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\razy 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{ s}}}}=5,344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}\cdot {\text{m}}/{\text{s}}.}

Dystans

W fizyce cząstek elementarnych powszechnie stosuje się system „jednostek naturalnych”, w którym prędkość światła w próżni c i zredukowana stała Plancka ħ są bezwymiarowe i równe jedności: c = ħ = 1 . W tych jednostkach zarówno odległości, jak i czasy są wyrażone w odwrotnych jednostkach energii (podczas gdy energia i masa są wyrażone w tych samych jednostkach, patrz równoważność masy i energii ). W szczególności długości rozpraszania cząstek są często przedstawiane w jednostkach odwrotnych mas cząstek.

Poza tym układem jednostek współczynniki konwersji między elektronowoltem, sekundą i nanometrem są następujące:

{\ Displaystyle \ hbar = {\ Frac {h} {2 \ pi}} = 1,054 \ 571 \ 817 \ 646 \ razy 10 ^ {-34} \ {\ mbox {J s}} = 6,582 \ 119 \ 569 \ 509\times 10^{-16}\ {\mbox{eV s}}.}

Powyższe zależności pozwalają również na wyrażenie średniego czasu życia τ cząstki niestabilnej (w sekundach ) poprzez szerokość jej rozpadu Γ (w eV) poprzez Γ = ħ / τ . Na przykład mezon B ⁰ ma czas życia 1.530(9) pikosekund , średnia długość rozpadu wynosi cτ =459,7 μm lub szerokość rozpadu(4,302 ± 25) x 10 ^-4 eV .

I odwrotnie, niewielkie różnice mas mezonów odpowiedzialne za oscylacje mezonów są często wyrażane w wygodniejszych odwrotnych pikosekundach.

Energia w elektronowoltach jest czasami wyrażana przez długość fali światła z fotonami o tej samej energii:

{\ Displaystyle {\ Frac {1 \; {\ tekst {eV}}} {hc}} = {\ Frac {1,602 \ 176\ 634 \ razy 10 ^ {-19} \; {\ tekst {J}}} {(2,99\ 792\ 458\razy 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\cdot (6,62\ 607\ 015\razy 10^{-34}\; {\text{J}}\cdot {\text{s}})}}\grubość około 8065,5439\;{\text{cm}}^{-1}.}

Temperatura

W niektórych dziedzinach, takich jak fizyka plazmy , wygodnie jest używać elektronowoltów do wyrażania temperatury. Elektrowolt dzieli się przez stałą Boltzmanna, aby przeliczyć na skalę Kelvina :

{\ Displaystyle {1 \ ponad k_ {\ tekst {B}}} = {1,602 \ 176 \ 634 \ razy 10 ^ {-19} {\ tekst {J/eV}} \ ponad 1,380 \ 649 \ razy 10 ^ { -23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K/eV}}.}

Gdzie k _B to stała Boltzmanna , K to Kelvin, J to dżule, eV to elektronowolt.

Przyjmuje się k _B, gdy używa się elektronowoltów do wyrażenia temperatury, na przykład typowa plazma fuzyjna z magnetycznym zamknięciem jest15 keV (kiloelektronowoltów), co jest równe 170 MK (milion Kelvinów).

W przybliżeniu: k _BT wynosi około0,025 eV (≈290 tys/11604 K/eV) w temperaturze 20°C .

Nieruchomości

Energia fotonów w widmie widzialnym w eV

Wykres długości fali (nm) do energii (eV)

Energia E , częstotliwość v i długość fali λ fotonu są powiązane przez

{\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} E = h \ nu & = {\ Frac {HC}} {\ Lambda}} \ \ [4pt] & = {\ Frac {(4.135 \ 667 \ 516 \ razy 10 ^ {-) 15}\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{s}})(299\ 792\ 458\,{\mbox{m/s}})}{\lambda }}\end{wyrównany} }}

gdzie h jest stałą Plancka , c jest prędkością światła . Sprowadza się to do

{\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} E {\ mbox {(eV)}} i = 4,135 \ 667 \ 516 \ {\ mbox {feVs}} \ cdot \ nu \ {\ mbox {(PHZ)}} \ \[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 93\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{nm}}}{\lambda \ {\mbox{(nm)}}}}. \end{wyrównany}}}

Foton o długości fali 532 nm (zielone światło) miałoby energię około2,33 eV . Podobnie,1 eV odpowiadałby fotonowi podczerwonemu o długości fali1240 nm lub częstotliwość241,8 THz .

Eksperymenty rozpraszające

W eksperymencie niskoenergetycznego rozpraszania jądrowego konwencjonalnie odnosi się do energii odrzutu jądrowego w jednostkach eVr, keVr, itd. To odróżnia energię odrzutu jądrowego od energii odrzutu „ekwiwalentu elektronowego” (eVee, keVee itd.). mierzone światłem scyntylacyjnym . Na przykład, wydajność fototuby jest mierzona w phe/keVee ( fotoelektrony na energię równoważną elektronom keV). Związek między eV, eVr i eVee zależy od ośrodka, w którym zachodzi rozpraszanie i musi być ustalony empirycznie dla każdego materiału.

Porównania energii

Częstotliwość fotonów a energia cząstki w elektronowoltach . Energią fotonu zależy wyłącznie od częstotliwości fotonu związanej przez prędkość światła stałych. Kontrastuje to z masywną cząstką, której energia zależy od jej prędkości i masy spoczynkowej . Legenda

γ: promienie gamma	MIR: średnia podczerwień	HF: Wysoka częstotliwość.
HX: Twarde promieniowanie rentgenowskie	FIR: Daleka podczerwień	MF: Średnia częstotliwość.
SX: miękkie promieniowanie rentgenowskie	Fale radiowe	LF: Niska częstotliwość.
EUV: ekstremalne ultrafioletowe	EHF: Niezwykle wysoka częstotliwość.	VLF: Bardzo niska częstotliwość.
NUV: W pobliżu ultrafioletu	SHF: Super wysoka częstotliwość.	VF/ULF: Częst.
Widzialne światło	UHF: Ultra wysoka częstotliwość.	SLF: Super niska częstotliwość.
NIR: bliska podczerwień	VHF: Bardzo wysoka częstotliwość.	ELF: Niezwykle niska częstotliwość.
		Częstotliwość : częstotliwość

Energia	Źródło
5,25 × 10 ³² eV	całkowita energia uwolniona z urządzenia do rozszczepienia jądrowego o masie 20 kt
1,22 × 10 ²⁸ eV	energia Plancka
10 Y eV (1 × 10 ²⁵ eV )	przybliżona energia wielkiej unifikacji
~624 E eV (6,24 × 10 ²⁰ eV )	energia zużywana przez pojedynczą 100-watową żarówkę w ciągu jednej sekundy (100 W =100 J/s ≈6,24 × 10 ²⁰ eV/s )
300 E eV (3 × 10 ²⁰ eV = ~50 J )	Pierwsza zaobserwowana cząstka promieniowania kosmicznego o ultrawysokiej energii , tak zwana cząstka Oh-My-God .
2 PeV	dwa petaelektronowolty, najbardziej energetyczne neutrino wykryte przez teleskop neutrinowy IceCube na Antarktydzie
14 TeV	zaprojektował energię zderzenia środka masy protonu w Wielkim Zderzaczu Hadronów (działał przy 3,5 TeV od początku 30 marca 2010 r., osiągnął 13 TeV w maju 2015 r.)
1 TeV	bilion elektronowoltów, lub 1,602 × 10 ^-7 J , o energii kinetycznej latającego komara
172 GeV	energia spoczynkowa kwarka górnego , najcięższej zmierzonej cząstki elementarnej
125,1 ± 0,2 GeV	energia odpowiadająca masie bozonu Higgsa , mierzona przez dwa oddzielne detektory w LHC z pewnością lepszą niż 5 sigma
210 MeV	średnia energia uwalniana podczas rozszczepienia jednego atomu Pu-239
200 MeV	przybliżona średnia energia uwalniana we fragmentach rozszczepienia jądrowego jednego atomu U-235 .
105,7 MeV	energia spoczynkowa mionu
17,6 MeV	średnia energia uwalniana w syntezy jądrowej z deuteru i trytu do tworzenia HE-4 ; to jest0,41 PJ na kilogram wyprodukowanego produktu
2 MeV	przybliżona średnia energia uwolniona w neutronie rozszczepienia jądrowego uwolnionym z jednego atomu U-235 .
1,9 MeV	energia spoczynkowa kwarka górnego , kwarka o najmniejszej masie.
1 MeV (1,602 x 10 ^-13 J )	około dwukrotnie więcej energii spoczynkowej elektronu
1 do 10 keV	przybliżona temperatura termiczna, , w systemach syntezy jądrowej , takich jak jądro słońca , magnetycznie ograniczona plazma , inercyjne uwięzienie i broń jądrowa ${\ Displaystyle k_ {B} T}$
13,6 eV	energia potrzebna do jonizacji wodoru atomowego ; cząsteczkowej energie wiązań są w kolejności od1 eV do10 eV na wiązanie
1,6 eV do3,4 eV	energii fotonów światła widzialnego
1,1 eV	energia potrzebna do zerwania wiązania kowalencyjnego w krzemie ${\ Displaystyle E_ {g}}$
720 meV	energia potrzebna do zerwania wiązania kowalencyjnego w germanie ${\ Displaystyle E_ {g}}$
< 120 meV	przybliżona energia spoczynkowa neutrin (suma 3 smaków)
25 meV	energia cieplna , , w temperaturze pokojowej; jedna cząsteczka powietrza ma średnią energię kinetyczną ${\ Displaystyle k_ {B} T}$ 38 meV
230 μeV	Energia cieplna, , z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła ${\ Displaystyle k_ {B} T}$

Na mol

Jeden mol cząstek o energii 1 eV ma około 96,5 kJ energii – odpowiada to stałej Faradaya ( F ≈96 485 C mol ⁻¹ ), gdzie energia n moli cząstek o energii E eV w dżulach jest równa E · F · n .

Zobacz też

Rzędów wielkości (energia)

Languages

In other projects