В физике электронвольт (символ эВ, также обозначается как электронвольт и электронвольт ) - это количество кинетической энергии, полученное одним электроном ускоряется из состояния покоя через разность электрических потенциалов в один вольт 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). Согласно новому определению основных единиц СИ в 2019 г., 1 эВ равняется точному значению 1,602176634 × 10 Дж.
Исторически электронвольт был разработан как стандартная единица измерения посредством полезность в науке об электростатическом ускорителе частиц, потому что 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, энергия выражается в эВ.
Это обычная единица энергии в физике, широко используемая в твердотельном, атомном, ядерном, и физика элементарных частиц. 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, что означает миллиард (10) электронвольт; это эквивалентно ГэВ.
Измерение | Единица | Значение СИ единицы |
---|---|---|
Энергия | eV | 1,602176634 × 10 Дж |
Масса | эВ / c | 1,782662 × 10 кг |
Момент | эВ / c | 5,344286 × 10 кг · м / с |
Температура | эВ / к B | 1,160451812 × 10 K |
Время | ħ/эВ | 6.582119 × 10 с |
Расстояние | ħc/eV | 1.97327 × 10 м |
Электронвольт - это количество кинетической энергии, полученное или потерянное одним электроном, ускоряющимся от оставайтесь через разность электрических потенциалов в один вольт в вакууме. Следовательно, его значение равно одному вольту, 1 Дж / Кл, умноженному на элементарный заряд e электрона, 1,602176634 × 10 К. Следовательно, один электронвольт равен 1,602176634 × 10 J.
Электронвольт, в отличие от вольт, не является единицей СИ. Электронвольт (эВ) - это единица измерения энергии, а вольт (В) - производная единица измерения электрического потенциала в системе СИ. В системе СИ единица измерения энергии - джоуль (Дж).
Согласно эквиваленту массы и энергии, электронвольт также является единицей массы. В физике элементарных частиц, где единицы массы и энергии часто меняются местами, принято выражать массу в единицах эВ / c, где c - скорость света в вакууме (от E = mc ). Обычно массу просто выражают в «эВ» как единицу массы, эффективно используя систему натуральных единиц с c, установленным на 1. Массовый эквивалент 1 эВ. / c составляет
Например, электрон и позитрон, каждый с массой 0,511 МэВ / c, может аннигилировать с получением энергии 1,022 МэВ. Протон имеет массу 0,938 ГэВ / c. В общем, массы всех адронов имеют порядок 1 ГэВ / c, что делает ГэВ (гигаэлектронвольт) удобной единицей массы для физики элементарных частиц:
унифицированная атомная единица массы (u), почти точно 1 грамм, деленный на число Авогадро, это почти масса атома водорода, что в основном является массой протона. Для преобразования в электрон-вольт используйте формулу:
В физике высоких энергий электронвольт часто используется как единица измерения импульса. Разность потенциалов в 1 вольт заставляет электрон набирать определенное количество энергии (например, 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 единиц импульса - LMT. Размеры энергоблоков LMT. Затем разделение единиц энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, которая имеет единицы скорости (LT), облегчает необходимое преобразование использования единиц энергии для описания импульса. 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 эВ / c.
Постоянная фундаментальной скорости c часто опускается из единиц измерения импульс путем определения таких единиц длины, при которых значение c равно единице. Например, если импульс p электрона равен 1 ГэВ, то преобразование в MKS может быть достигнуто следующим образом:
В физике элементарных частиц, система «естественных единиц», в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка ħ безразмерны и равны широко используется единица: c = ħ = 1. В этих единицах 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 частицы часто выражаются в единицах обратной массы частицы.
Вне этой системы единиц коэффициенты преобразования между электронвольтом, секундами и нанометрами следующие:
Приведенные выше соотношения также позволяют выразить среднее время жизни τ нестабильной частицы (в секундах) через его ширина распада Γ (в эВ) через Γ = ħ / τ. Например, В-мезон имеет время жизни 1,530 (9) пикосекунды, средняя длина распада cτ = 459,7 мкм или ширина распада (4,302 ± 25) × 10 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:
В некоторых 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, эВ - электронвольты.
k B предполагается при использовании электронвольт для выражения температуры, например, типичная плазма слияния с магнитным удержанием составляет 15 кэВ (килоэлектронвольт), что равен 170 МК (миллион Кельвинов).
В качестве приближения: k B T составляет около 0,025 эВ (≈ 290 К / 11604 К / эВ) при температуре 20 ° C.
Энергия E, частота v и длина волны λ фотона являются связано соотношением
где h - постоянная Планка, c - скорость света. Это сокращается до
Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию примерно 2,33 эВ. Точно так же 1 эВ соответствует инфракрасному фотону с длиной волны 1240 нм или частотой 241,8 ТГц.
В экспериментах по низкоэнергетическому ядерному рассеянию принято обозначать энергию отдачи ядра в единицах эВр, кэВр и т. Д. Это отличает энергию отдачи ядра от энергии отдачи. "электронный эквивалент" энергии отдачи (eVee, keVee и т.д.), измеренной сцинтилляционным светом . Например, выход фототрубки измеряется в phe / keVee (фотоэлектронов на энергию электронного эквивалента кэВ). Соотношение между эВ, эВr и эВи зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.
γ: Гамма-лучи | MIR: Средний инфракрасный | HF: High Freq. |
HX: Hard X-ray | FIR: Far инфракрасный | MF: Средняя частота |
SX: Мягкое рентгеновское излучение | Радиоволны | LF: Низкая частота |
EUV: Экстремальный ультрафиолет | EHF: Чрезвычайно высокая частота. | VLF: Очень низкая частота |
NUV: Ближний ультрафиолетовый | SHF: Сверхвысокая частота | VF / ULF: Голосовая частота |
Видимый свет | UHF: Сверхвысокая частота | SLF: Сверхнизкая частота |
NIR: Ближний Инфракрасный | VHF: Очень высокая частота | ELF: Чрезвычайно низкая частота |
Частота: Частота |
Энергия | Источник |
---|---|
5,25 × 10 эВ | полная энергия, выделяющаяся из устройства ядерного деления 20 кт |
1,22 × 10 эВ | энергия Планка |
10 Y эВ (1 × 10 эВ) | приблизительное энергия великого объединения |
~ 624 E эВ (6,24 × 10 эВ) | энергия, потребляемая одиночная лампа мощностью 100 Вт за одну секунду (100 Вт = 100 Дж / с ≈ 6,24 × 10 эВ / с) |
300 E эВ (3 × 10 эВ = ~ 50 J ) | так называемая частица О-Боже (самая энергичная частица космических лучей из когда-либо наблюдавшихся) |
2 ПэВ | два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, зарегистрированное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде |
14 ТэВ | расчетная энергия столкновения протонов на Большом адронном коллайдере ( работал на половине этой энергии с 30 марта 2010 г., достигнув 13 ТэВ в мае 2015 г.) |
1 ТэВ | на триллион электронвольт, или 1,602 × 10 Дж, что примерно соответствует кинетической энергии летящего москит |
172 ГэВ | энергия покоя топ-кварка, самая тяжелая измеренная элементарная частица |
125,1 ± 0,2 ГэВ | энергия, соответствующая массе бозона Хиггса, измеренного двумя отдельными детекторами на LHC с точностью лучше, чем 5 сигма |
210 МэВ | высвобожденная средняя энергия при делении одного Pu-239 атома |
200 МэВ | приблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении осколков деления одного атома U-235. |
105,7 МэВ | энергия покоя мюона |
17,6 МэВ | средняя энергия, выделяющаяся при синтезе дейтерия и тритий с образованием He-4 ; это составляет 0,41 ПДж на килограмм произведенного продукта |
2 МэВ | приблизительная средняя энергия, выделяемая в нейтроне деления ядра, высвобождаемом одним атомом U-235. |
1,9 МэВ | энергия покоя верхнего кварка, кварка с наименьшей массой. |
1 МэВ (1,602 × 10 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 ; молекулярные энергии связи находятся в порядке от 1 до 10 эВ на связь |
от 1,6 до 3,4 эВ | энергия фотона видимого света |
< 2 eV | приблизительная энергия покоя нейтрино |
1,1 эВ | энергия требуется для разрыва ковалентной связи в кремнии |
720 мэВ | энергия требуется для разрыва ковалентной связи в германии |
25 мэВ | тепловая энергия, , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергию 38 мэВ |
230 мкэВ | тепловую энергию, космического микроволнового фона |
Один моль частиц при энергии 1 эВ имеет примерно 96,5 кДж энергии - это соответствует постоянной Фарадея (F ≈ 96485 Кл моль), где энергия в джоулях n моль частиц, каждая с энергией E эВ, равна E · F · n.