Електронволт

Електронволт (симбол: eV или еВ) — единица за енергија во физиката. По дефиниција, ова е еднакво на количеството на кинетичка енергија со која ја се здобива еден неврзан електрон кога се забрзува преку електричен напон од еден волт. Така ова е 1 волт (1 џул по кулон) помножен со полнежот на електронот (1 e, или (1,60217653 ± (14))⋅10^-19 C). Така еден електронволт е еднаков на (1,60217653 ± (14))⋅10^-19 J.^[1]

Електронволтот не е SI-единица и неговата вредност се добива по експериментален пат.^[2] Ова е често употребувана единица за енергија во физиката, и наоѓа широка примена во физиката на тврдото тело, атомската и јадрената физика, како и честичната физика. Обично се користи со SI-претставките мили-, кило-, мега-, гига-, тера- или пета- (meV, keV, MeV, GeV, TeV и PeV).

Во хемијата, честопати е корисно да се има моларен еквивалент, т.е. кинетичката енергија што би ја добил еден мол електрони минувајќи низ потенцијална разлика од еден волт. Ова е еднакво на 96,48538 ± (2) kJ/mol. Во електроволти се изразуваат и атомските својства како енергијата на јонизација.

Како единица за енергија

Стапки на претворање:

• 1 eV = (1,602176487 ± (40))⋅10^-19 J (стапката на претворање е бројчено еднаква на елементарниот полнеж изразен во кулони).
• 1 eV/еам е 96,5 MJ/kg.

За споредба:

• >10²⁰ eV: Најенергичните ултрависоко енергични космички зраци.
• 14 TeV: Енергијата на протоните при судир во Големиот хадронски судрувач.
• 1 TeV: Милион милиони електроволти, или 1,602⋅10^-7 J, кинетичка енергија на комарец во лет^[3]
• 210 MeV: Просечната енергија што се ослободува при цепење на еден Pu-239 атом.
• 200 MeV: Вкупната енергија што се ослободува при јадрено цепење на еден U-235 атом (во просек); ова изнесува 82 TJ/kg, или 20.000 ТНТ еквиваленти/kg.
• 17.6 MeV: Вкупната енергија што се ослободува при јадрено соединување на деутериум и трициум кога образуваат He-4 (исто така во просек); ова изнесува 0,41 PJ по произведен килограм, еквивалентно на енергијата ослободена при 100-килотонска експлозија.
• 1 MeV: Или 1,602⋅10^-13 J, приближно двапати повеќе од маса-енергија на еден електрон во мирување.
• 13.6 eV: Потребната енергија за јонизација на атомски водород. Молекуларните енергии на ковалентна врска се од редот на еден eV по молекула.
• 1/40 eV: Топлотната енергија на собната температура. Еден молекол во воздухот има просечна кинетичка енергија од 3/80 eV.

Како единица за маса

Со еднаквоста на масата и енергијата, електронволтот е исто така и единица за маса. Таа често се среќава во честичната физика, каде масата и енергијата честопати се заменуваат, за употреба на eV/c², каде c е брзината на светлината во вакуум (од E =mc²). Уште почесто се користи систем на природни единици и просто се употребува eV, со c зададено на 1 како единица за маса.

На пример, кога електрон и позитрон имаат маса од по 0,511 MeV/c² секој, тие можат да се анихилираат (поништат) за да оддадат 1,022 MeV енергија. Протонот има маса од 0,938 GeV/c², што значи дека гигаелектронволтот е многу згодна единица за маса во честичната физика.

1 GeV/c² = 1.783×10⁻²⁷ kg

Единицата за атомска маса, 1 грам поделен со Авогадровиот број ја дава приближно масата на водороден атом, што е главо масата на протонот. За претворање на мегаелектронволти се користи формулата:

1 еам = 931.46 MeV/c² = 0.93146 GeV/c²

1 MeV/c² = 1.074×10^–3 еам

Однос со единиците за време и растојание

Во честичната физика нашироко се користи систем од единици каде брзината на светлината во вакуум изразена со c, и смалената Планкова константа изразена со ħ, се бездимензионални и еднакви на обединување: c = ħ = 1. Кај овие единици, растојанијата и времето се изразува преку обратни единици за енергија (истовремено енергијата и амсата се изразуваат со истите единици, видете Еднаквост на масата и енергијата). In particular, particle должините на распрснување честопати се претставуваат со единици за обратни маси на честичките.

Вон овој систем на единици, стапките на претворање помеѓу електроволтот, секундата, и нанометарот се следниве:^[4]

ħ = (6,58211899 ± 10)⋅10^-22 MeV s.

Горенаведените релации исто така ни овозможуваат да го изразиме средниот животен век τ на нестабилна честичка (во секунди) по пат на ширината на распад Γ (во eV) преку Γ = ħ/τ. На пример, B⁰ мезонот има среден животен век од 1,542(16) пикосекунди, или ширина на распад од (4,269 ± 44)⋅10^-4 eV, и неговата средна должина на распад изнесува cτ = 462 µm.

Како единица за температура

Во извесни полиња на физиката, како изучувањето на плазмата, електроволтот се употребува како најзгодна единица за температура. Претворањето во келвини (симбол: големо K) се определува со k_B, наречено Болцманова константа:

${\displaystyle {1{\mbox{ eV}} \over k_{\mathrm {B} }}={1.602\,176\,53(14)\times 10^{-19}{\mbox{ J}} \over 1.380\,6505(24)\times 10^{-23}{\mbox{ J/K}}}=11\,604.505(20){\mbox{ K}}.}$

На приемер, типичната плазма при соединување со магнетно врзување има топлина од 15 keV, или 170 мегакелвини.

Својства на фотоните

Енергијата на фотоните во рамките на видливиот спектар

Енергијата E, честотата ν, и брановата должина λ на еден фотон се поврзани со соодносот

${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {(4.13566733\times 10^{-15}\ {\mbox{eV s}})(3\times 10^{8}\ {\mbox{m/s}})}{\lambda }}}$

каде h е Планковата константа и c е брзината на светлината. За побрза пресметка, ова се сведува на

${\displaystyle E{\mbox{(eV)}}\approx {\frac {1240}{\lambda \ {\mbox{(nm)}}}}}$

Поток од фотони со бранова должина од 532 nm (зелено светло) би имал енергија од приближно 2.33 eV. Така, 1 eV соодветствува на поток инфрацрвени фотони со бранова должина од 1240 nm, итн.

1 eV = 8065.5447 cm⁻¹

Поврзано

• Величински редови (енергија)