Электронвольт

В физике электронвольт (символ эВ ), также пишется как электрон-вольт и электрон-вольт , является мерой количества кинетической энергии, получаемой одним электроном, ускоряющимся за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме . При использовании в качестве единицы энергии численное значение 1 эВ в джоулях (символ Дж) равно числовому значению заряда электрона в кулонах (символ К). В соответствии с пересмотром СИ 2019 года это устанавливает 1 эВ равным точному значению1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Дж . ^[1]

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

Электронвольт — это количество энергии, приобретаемое или теряемое одним электроном при его движении через разность электрических потенциалов в один вольт . Следовательно, он имеет значение в один вольт , что равно1 Дж/Кл , умноженное на элементарный заряд e  = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Кл . ^[2] Следовательно, один электронвольт равен1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Дж . ^[1]

Электронвольт (эВ) является единицей энергии, но не является единицей СИ . Это общеупотребительная единица энергии в физике, широко используемая в физике твердого тела , атомной , ядерной физике и физике элементарных частиц , а также астрофизике высоких энергий . Обычно она используется с префиксами СИ милли- (10 ^-3 ), кило- (10 ³ ), мега- (10 ⁶ ), гига- (10 ⁹ ), тера- (10 ¹² ), пета- (10 ¹⁵ ) или экса- (10 ¹⁸ ), соответствующие символы - мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ. Единицей энергии в СИ является джоуль (Дж).

В некоторых старых документах и ​​в названии Беватрон используется символ БэВ , где B означает миллиард . Таким образом, символ БэВ эквивалентен ГэВ , хотя ни один из них не является единицей СИ.

В областях физики, в которых используется электронвольт, другие величины обычно измеряются с использованием единиц, полученных из электронвольта как произведения фундаментальных констант, имеющих важное значение в теории.

По эквивалентности массы и энергии электронвольт соответствует единице массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто взаимозаменяемы, принято выражать массу в единицах эВ/ с2 , где с — скорость света в вакууме (из E = mc2 ). Массу принято неформально выражать в терминах эВ как ^{единицу} массы , эффективно используя систему естественных единиц с с ^, установленным равным 1. ^[3 ] Килограммовый эквивалент1 эВ/ с ² равен:

$${\displaystyle 1\;{\text{эВ}}/c^{2}={\frac {(1,602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{Кл}})\times 1\,{\text{В}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {м/с} )^{2}}}=1,782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{кг}}.}$$

Например, электрон и позитрон , каждый с массой0,511 МэВ/ c2 ^, может аннигилировать с образованием1,022 МэВ энергии. Протон имеет массу0,938 ГэВ/ с ^2. В общем случае массы всех адронов имеют порядок¹ ГэВ/ c2 , что делает ГэВ/ ^c2 удобной единицей массы в физике элементарных частиц: ^[4]

Атомная массовая константа ( m _u ), одна двенадцатая массы атома углерода-12, близка к массе протона. Для перевода в эквивалент массы электронвольта используйте формулу:

Разделив кинетическую энергию частицы в электронвольтах на фундаментальную постоянную c (скорость света), можно описать импульс частицы в единицах эВ/ c . ^[5] В естественных единицах, в которых фундаментальная константа скорости c численно равна 1, c можно неформально опустить, чтобы выразить импульс с помощью единицы электронвольт.

Соотношение энергии и импульса в естественных единицах (с ) представляет собой уравнение Пифагора . Когда относительно высокая энергия прикладывается к частице с относительно низкой массой покоя , ее можно аппроксимировать как в физике высоких энергий, так что приложенная энергия с выраженной в единице эВ удобно приводит к численно приблизительно эквивалентному изменению импульса при выраженной в единице эВ/ с .$${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$${\displaystyle с=1}$$${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$${\displaystyle E\simeq p}$

Размерность импульса равна T ⁻¹ L M . Размерность энергии равна T ⁻² L ² M . Деление единицы энергии (например, эВ) на фундаментальную константу (например, скорость света), имеющую размерность скорости ( T ⁻¹ L ), облегчает требуемое преобразование для использования единицы энергии для количественной оценки импульса.

Например, если импульс p электрона равен1 ГэВ/ с , то переход к системе единиц МКС может быть выполнен следующим образом:$${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

В физике элементарных частиц широко используется система естественных единиц, в которой скорость света в вакууме c и приведённая постоянная Планка ħ безразмерны и равны единице: c = ħ = 1. В этих единицах и расстояния, и время выражаются в обратных единицах энергии (при этом энергия и масса выражаются в одних и тех же единицах, см. эквивалентность массы и энергии ). В частности, длины рассеяния частиц часто представляются с использованием единицы обратной массы частицы.

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

Приведенные выше соотношения также позволяют выразить среднее время жизни τ нестабильной частицы (в секундах) через ее ширину распада Γ (в эВ) через Γ = ħ / τ . Например,
Б⁰
Время жизни мезона составляет 1,530(9)  пикосекунд , средняя длина распада составляет cτ =459,7 мкм , или ширина распада4,302(25 ⁾ × 10−4  эВ .

Напротив, крошечные различия в массе 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:$${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$$

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

Например, при использовании электронвольта для выражения температуры предполагается k B _, типичная термоядерная плазма с магнитным удержанием имеет вид15 кэВ (килоэлектронвольт), что равно 174 МК (мегакельвин).

Приблизительно: k _B T составляет около0,025 эВ (≈ ⁠290 К/11604 К/эВ⁠ ) ​​при температуре20 °С .

Энергия E , частота ν и длина волны λ фотона связаны соотношением где h — постоянная Планка , c — скорость света . Это сводится к ^[6] Фотон с длиной волны$${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно2,33 эВ . Аналогично,1 эВ будет соответствовать инфракрасному фотону с длиной волны1240 нм или частота241,8 ТГц .

В эксперименте по низкоэнергетическому ядерному рассеянию принято ссылаться на энергию отдачи ядра в единицах эВр, кэВр и т. д. Это отличает энергию отдачи ядра от "электронного эквивалента" энергии отдачи (эВэ, кэВэ и т. д.), измеряемой сцинтилляционным светом. Например, выход фототрубки измеряется в phe/keVee ( фотоэлектроны на кэВ эквивалентной энергии электрона). Соотношение между эВ, эВр и эВэ зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.

Энергия	Источник
3 × 10 58  Q эВ	масса-энергия всей обычной материи в наблюдаемой Вселенной [10]
52,5  Q эВ	энергия, выделяемая при взрыве мощностью 20  килотонн в тротиловом эквиваленте (например, мощность ядерного оружия, полученного при взрыве бомбы «Толстяк» )
12,2  R эВ	энергия Планка
10  Y эВ	приблизительная энергия великого объединения
300  Э эВ	Первая обнаруженная частица космических лучей сверхвысокой энергии , так называемая частица «О, Боже» [11]
62,4  Э эВ	энергия, потребляемая 10-ваттным устройством (например, типичной [12] светодиодной лампочкой ) за одну секунду (10 Вт =10 Дж/с ≈6,24 × 10 19  эВ/с )
2  П эВ	нейтрино с самой высокой энергией, обнаруженное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде [13]
14 ТэВ	расчетная энергия столкновения протонов в центре масс на Большом адронном коллайдере (работал на уровне 3,5 ТэВ с момента запуска 30 марта 2010 года, достиг 13 ТэВ в мае 2015 года)
1 ТэВ	0,1602 мкДж , что примерно соответствует кинетической энергии летящего комара [14]
172 ГэВ	энергия массы покоя верхнего 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 LHC с точностью лучше 5 сигма [15]
210 МэВ	Средняя энергия, выделяемая при делении одного атома Pu-239
200 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении одного атома U-235 .
105,7 МэВ	энергия массы покоя мюона
17,6 МэВ	средняя энергия, выделяемая при ядерном синтезе дейтерия и трития с образованием Не-4 ; это0,41 ПДж на килограмм произведенного продукта
2 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении нейтрона, выделяемого одним атомом U-235 .
1,9 МэВ	энергия массы покоя u-кварка , кварка с наименьшей массой.
1 МэВ	0,1602 пДж , что примерно вдвое больше энергии покоя электрона
от 1 до 10 кэВ	приблизительная тепловая энергия , k B T , 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 ; энергии молекулярных связей имеют порядок1 эВ в10 эВ на связь
1,65–3,26 эВ	диапазон энергии фотонов видимого спектра от красного до фиолетового${\displaystyle ({\tfrac {hc}{\lambda }})}$
1,1 эВ	энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в кремнии${\displaystyle E_{g}}$
720 мэВ	энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в германии${\displaystyle E_{g}}$
< 120 мэВ	верхняя граница энергии массы покоя нейтрино (сумма 3 ароматов) [ 16]
38 мэВ	средняя кинетическая энергия , ⁠3/2⁠ k B T , одной молекулы газа при комнатной температуре
25 мэВ	Тепловая энергия , k B T , при комнатной температуре
230 мкэВ	Тепловая энергия , k B T , при температуре реликтового излучения ~2,7  Кельвина

Один моль частиц, каждая из которых имеет энергию в 1 эВ, имеет приблизительно 96,5 кДж энергии — это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈96 485  Кл⋅моль ⁻¹ ), где энергия в джоулях n молей частиц, каждая с энергией E  эВ, равна E · F · n .

• Порядки величины (энергия)

• Фундаментальные физические константы от NIST