Electronvolt - Electronvolt

z Wikipedie, otevřené encyklopedie

Ve fyzice je elektronvolt (symbol eV , také psaný elektronvolt a elektronvolt ) množství kinetické energie získané jediným elektronem zrychlujícím z klidu prostřednictvím rozdílu elektrického potenciálu jednoho voltu ve vakuu. Když se použije jako jednotka energie , numerická hodnota 1 eV v joulech (symbol J) je ekvivalentní s numerickou hodnotou náboje elektronu v coulombech (symbol C). Pod redefinicí základních jednotek SI v roce 2019 se nastaví 1 eV na přesnou hodnotu 1,602 176 634 × 10 −19 J.

Historicky byl elektronvolt navržen jako standardní měrná jednotka díky své užitečnosti ve vědách urychlovače elektrostatických částic , protože částice s elektrickým nábojem q má po průchodu potenciálem V energii E = qV ; je-li q uvedeno v celých jednotkách elementárního náboje a potenciálu ve voltech , získá se energie v eV.

Je to běžná jednotka energie ve fyzice, široce používaná v pevné fázi , atomové , jaderné a částicové fyzice . Běžně se používá s metrickými předponami milli-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- nebo exa- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV a EeV). V některých starších dokumentech a ve jménu bevatron symbol BEV je používán, což je zkratka pro miliardu (10 9 ) electronvolts; je ekvivalentní GeV.

Měření Jednotka SI hodnota jednotky
Energie eV 1,602 176 634 × 10 −19  J
Hmotnost eV / c 2 1,782 662 × 10 −36  kg
Hybnost eV / c 5,344 286 × 10 −28  kg · m / s
Teplota eV / k B 1,160 451 812 × 10 4  K.
Čas ħ / eV 6,582 119 × 10 −16  s
Vzdálenost ħc / eV 1,973 27 × 10 −7  m

Definice

Elektronvolt je množství kinetické energie získané nebo ztracené jediným elektronem zrychlujícím z klidu prostřednictvím rozdílu elektrického potenciálu jednoho voltu ve vakuu. Proto má hodnotu jednoho voltu , 1 J / C , vynásobeno elementárním nábojem elektronu e , 1,602 176 634 x 10 -19  C . Proto se jeden elektronvolt rovná 1,602 176 634 x 10 -19  J .

Elektronvolt, na rozdíl od voltu, není jednotkou SI . Elektronvolt (eV) je jednotka energie, zatímco volt (V) je odvozená jednotka SI elektrického potenciálu. Jednotkou SI pro energii je joule (J).

Hmotnost

Podle hmotnostní energie ekvivalence je Elektronvolt je také jednotka hmotnosti . Ve fyzice částic , kde se jednotky hmotnosti a energie často zaměňují, je běžné vyjadřovat hmotnost v jednotkách eV / c 2 , kde c je rychlost světla ve vakuu (z E = mc 2 ). Je běžné jednoduše vyjádřit hmotnost v termínech „eV“ jako jednotku hmotnosti , efektivně pomocí systému přírodních jednotek s c nastaveným na 1. Hmotnostní ekvivalent 1 eV / c 2 je

Například elektron a pozitron , každý s hmotností 0,511 MeV / c 2 , může zničit , čímž se získá 1,022 MeV energie. Proton má hmotnost 0,938 GeV / c 2 . Masy všech hadronů jsou obecně v řádu 1 GeV / c 2 , díky čemuž je GeV (gigaelectronvolt) pohodlnou jednotkou hmotnosti pro fyziku částic:

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

Sjednoceny atomová hmotnostní jednotka (U), téměř přesně 1 gram děleno počtem Avogadro , je téměř hmota z atomu vodíku , který je většinou hmotnost protonu. Chcete-li převést na elektronvolty, použijte vzorec:

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

Hybnost

Ve fyzice vysokých energií se elektronvolt často používá jako jednotka hybnosti . Rozdíl potenciálů 1 volt způsobí, že elektron získá určité množství energie (tj. 1 eV ). To vede k použití eV (a keV, MeV, GeV nebo TeV) jako jednotek hybnosti, protože dodaná energie má za následek zrychlení částice.

Rozměry jednotek hybnosti jsou L M T -1 . Rozměry energetických jednotek jsou L 2 M T −2 . Poté dělení energetických jednotek (například eV) základní konstantou, která má jednotky rychlosti ( L T -1 ), usnadní požadovanou konverzi použití energetických jednotek k popisu hybnosti. V oblasti fyziky částic s vysokou energií je základní jednotkou rychlosti rychlost světla ve vakuu c .

Dělením energie v eV rychlostí světla lze popsat hybnost elektronu v jednotkách eV / c .

Konstanta základní rychlosti c je často vypuštěna z jednotek hybnosti definováním jednotek délky tak, že hodnota c je jednota. Například pokud se říká , že hybnost p elektronu je 1 GeV , pak lze převodu na MKS dosáhnout:

Vzdálenost

Ve fyzice částic je široce používán systém „přírodních jednotek“, ve kterém je rychlost světla ve vakuu c a redukovaná Planckova konstanta ħ bezrozměrná a rovná se jednotě: c = ħ = 1 . V těchto jednotkách jsou vzdálenosti i časy vyjádřeny v inverzních energetických jednotkách (zatímco energie a hmotnost jsou vyjádřeny ve stejných jednotkách, viz ekvivalence hmotnost-energie ). Zejména jsou délky rozptylu částic uváděny v jednotkách inverzní hmotnosti částic.

Mimo tento systém jednotek jsou převodní faktory mezi elektronvoltem, druhým a nanometrem následující:

Výše uvedené vztahy také umožňují vyjádřit střední životnost τ nestabilní částice (v sekundách), pokud jde o její šířku rozpadu Γ (v eV) pomocí Γ = ħ / τ . Například meson B 0 má životnost 1,530 (9)  pikosekund , průměrná délka rozpadu je = 459,7 μm nebo šířka útlumu (4,302 ± 25) × 10 −4  eV .

Naopak malé mezonové hmotové rozdíly odpovědné za oscilace mezonů jsou často vyjádřeny ve výhodnějších inverzních pikosekundách.

Energie v elektronvoltech je někdy vyjádřena vlnovou délkou světla s fotony stejné energie:

Teplota

V určitých oblastech, jako je fyzika plazmatu , je vhodné použít elektronvolt k vyjádření teploty. Elektronvolt je rozdělen Boltzmannovou konstantou pro převod na Kelvinovu stupnici :

Kde k B je Boltzmannova konstanta , K je Kelvin, J je Joules, eV je elektronvolt.

Hodnota k B se předpokládá při použití elektronvoltu k vyjádření teploty, což je například typická fúzní plazma s magnetickým uzavřením 15 keV (kilo-elektronvoltů), což se rovná 170 MK (milionům Kelvinů).

Jako aproximace: k B T je asi 0,025 eV (≈ 290 K. / 11604 K / eV ) při teplotě 20 ° C .

Vlastnosti

Energie fotonů ve viditelném spektru v eV
Graf vlnové délky (nm) na energii (eV)

Energie E , frekvence v a vlnová délka λ fotonu spolu souvisí

kde h je Planckova konstanta , c je rychlost světla . To se snižuje na

Foton s vlnovou délkou 532 nm (zelené světlo) by mělo energii přibližně 2,33 eV . Podobně, 1 eV by odpovídalo infračervenému fotonu vlnové délky 1240 nm nebo frekvence 241,8 THz .

Rozptylové experimenty

V experimentu s nízkoenergetickým rozptylem jader je obvyklé označovat energii zpětného rázu v jednotkách eVr, keVr atd. Tím se odlišuje energie zpětného rázu od „elektronového ekvivalentu“ energie zpětného rázu (eVee, keVee atd.) měřeno scintilačním světlem. Například výtěžek z fototubusem se měří v phe / keVee ( fotoelektrony za keV elektron-ekvivalent energie). Vztah mezi eV, eVr a eVee závisí na médiu, na kterém se rozptyl odehrává, a musí být pro každý materiál stanoven empiricky.

Energetická srovnání

Frekvence fotonu vs. energetická částice v elektronvoltech . Energie fotonu se liší pouze s frekvencí fotonu, související rychlostí světla konstantní. To kontrastuje s masivní částice, jejíž energie závisí na její rychlosti a klidové hmotnosti . Legenda
γ: Gama paprsky MIR: Střední infračervené záření HF: Vysoká frekvence.
HX: Tvrdé rentgenové paprsky FIR: Daleko infračervené MF: Střední frekvence
SX: Měkké rentgenové paprsky Rádiové vlny LF: Nízké frekvence.
EUV: Extrémní ultrafialové záření EHF: Extrémně vysoká frekvence. VLF: Velmi nízká frekvence.
NUV: Blízko ultrafialového záření SHF: Super vysoká frekvence. VF / ULF: Hlasové frekvence
Viditelné světlo UHF: Ultra vysoká frekvence. SLF: Super nízké frekvence.
NIR: Blízké infračervené VHF: Velmi vysoké frekvence. ELF: Extrémně nízké frekvence.
Frekvence: Frekvence
Energie Zdroj
5,25 × 10 32  eV celková energie uvolněná z 20  kt zařízení na štěpení jaderných materiálů
1,22 × 10 28  eV energii Planck
10 Y eV ( 1 × 10 25  eV ) přibližná energie velkého sjednocení
~ 624 E eV ( 6,24 × 10 20  eV ) energie spotřebovaná jednou 100W žárovkou za sekundu ( 100 W = 100 J / s 6,24 × 10 20  eV / s )
300 E eV ( 3 × 10 20  eV = ~ 50  J ) takzvaná částice Oh-My-God (nejenergetičtější částice kosmického záření, jaká kdy byla pozorována)
2 PeV dva petaelektronvolty, nejvíce vysokoenergetické neutrino detekované neutrinovým dalekohledem IceCube v Antarktidě
14 TeV navržená protonová srážková energie těžiště ve velkém hadronovém urychlovači (provozována na 3,5 TeV od svého zahájení dne 30. března 2010, dosáhla 13 TeV v květnu 2015)
1 TeV bilion elektronvoltů, nebo 1,602 × 10 −7  J , o kinetické energii létajícího komára
172 GeV zbytková energie top kvarku , nejtěžší měřené elementární částice
125,1 ± 0,2 GeV energie odpovídající hmotnosti Higgsova bosonu , měřeno dvěma samostatnými detektory na LHC s jistotou lepší než 5 sigma
210 MeV průměrná energie uvolněná štěpením jednoho atomu Pu-239
200 MeV přibližná průměrná energie uvolněná ve štěpných fragmentech jaderného štěpení jednoho atomu U-235 .
105,7 MeV zbytková energie mionu
17,6 MeV Průměrná energie uvolněná při fúzi části deuteria a tritia za vzniku He-4 ; tohle je 0,41 PJ na kilogram vyrobeného produktu
2 MeV přibližná průměrná energie uvolněná v jaderného štěpení neutronu uvolněného z jednoho U-235 atomu.
1,9 MeV zbytková energie kvarku , kvarku s nejnižší hmotností.
1 MeV ( 1,602 × 10 −13  J ) asi dvojnásobek zbytkové energie elektronu
1 až 10 keV přibližná tepelná teplota, v systémech jaderné fúze , jako je sluneční jádro , magneticky omezená plazma , inerciální vězení a jaderné zbraně
13,6 eV energie potřebná k ionizaci atomového vodíku ; molekulární energie dluhopisy jsou na pořadí z 1 eV 10 eV na vazbu
1,6 eV 3,4 eV energie fotonu viditelného světla
1,1 eV energie potřebná k rozbití kovalentní vazby v křemíku
720 meV energie potřebná k rozbití kovalentní vazby v germániu
< 120 meV přibližná klidová energie neutrin (součet 3 příchutí)
25 meV tepelné energie , při teplotě místnosti; jedna molekula vzduchu má průměrnou kinetickou energii 38 meV
230 μeV tepelné energie, na straně vesmírného mikrovlnného pozadí

Na krtek

Jeden mol částic s energií 1 eV má přibližně 96,5 kJ energie - to odpovídá Faradayově konstantě ( F 96 485  C mol −1 ), kde energie v joulech n molů částic, každá s energií E eV, se rovná E · F · n .

Viz také

Reference

externí odkazy