Подписаться

Электронвольт

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:38:30 Править
Единица энергии

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.

ИзмерениеЕдиницаЗначение СИ единицы
ЭнергияeV1,602176634 × 10 Дж
МассаэВ / c1,782662 × 10 кг
МоментэВ / c5,344286 × 10 кг · м / с
ТемператураэВ / к B1,160451812 × 10 K
Времяħ/эВ6.582119 × 10 с
Расстояниеħc/eV1.97327 × 10 м

Содержание

  • 1 Определение
  • 2 Масса
  • 3 Импульс
  • 4 Расстояние
  • 5 Температура
  • 6 Свойства
  • 7 Эксперименты по рассеянию
  • 8 Сравнение энергии
    • 8,1 На моль
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

Определение

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).

Масса

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

1 эВ / c 2 = (1,602 176 634 × 10 - 19 C) ⋅ 1 V (2,99 792 458 × 10 8 м / с) 2 = 1,782 661 92 × 10 - 36 кг. {\ displaystyle 1 \; {\ text {eV}} / c ^ {2} = {\ frac {(1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} \; {\ text {C}}) \ cdot 1 \; {\ text {V}}} {(2,99 \ 792 \ 458 \ times 10 ^ {8} \; {\ text {m}} / {\ text {s}}) ^ {2}}} = 1,782 \ 661 \ 92 \ times 10 ^ {- 36} \; {\ text {kg}}.}{\ displaystyle 1 \; {\ text {eV}} / c ^ {2} = {\ frac {(1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} \; {\ text {C}}) \ cdot 1 \; {\ text {V}}} {(2,99 \ 792 \ 458 \ times 10 ^ {8} \; {\ text {m}} / {\ text {s}}) ^ {2}}} = 1,782 \ 661 \ 92 \ times 10 ^ {- 36} \; {\ text {kg}}.}

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:

1 ГэВ / c = 1,78266192 × 10 кг.

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:

1 u = 931,4941 МэВ / c = 0,9314941 ГэВ / c.

Импульс

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:

p = 1 ГэВ / c = (1 × 10 9) ⋅ (1,602 176 634 × 10 - 19 C) ⋅ (1 V) (2,99 792 458 × 10 8 м / с) = 5,344 286 × 10 - 19 кг м / с. {\ displaystyle p = 1 \; {\ text {GeV}} / c = {\ frac {(1 \ times 10 ^ {9}) \ cdot (1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} \; {\ text {C}}) \ cdot (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}}.}{\ displaystyle p = 1 \; {\ text {ГэВ}} / c = { \ frac {(1 \ times 10 ^ {9}) \ cdot (1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} \; {\ text {C}}) \ cdot (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}}.}

Расстояние

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:

ℏ = h 2 π = 1,054 571 817 646 × 10 - 34 Дж · с = 6,582 119 569 509 × 10 - 16 эВ с. {\ displaystyle \ hbar = {{h} \ over {2 \ pi}} = 1.054 \ 571 \ 817 \ 646 \ times 10 ^ {- 34} \ {\ t_dv {J s}} = 6.582 \ 119 \ 569 \ 509 \ times 10 ^ {- 16} \ {\ t_dv {eV s}}.}{\ displaystyle \ hbar = {{h} \ over {2 \ pi}} = 1.054 \ 571 \ 817 \ 646 \ times 10 ^ {- 34} \ {\ t_dv {J s}} = 6.582 \ 119 \ 569 \ 509 \ times 10 ^ {-16} \ {\ t_dv {эВ s}}.}

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:

1 эВ hc = (1,602 176 634 × 10 - 19 Дж) (2,99 792 458 × 10 10 см / с) ⋅ (6,62 607015 × 10 - 34 Дж с) ≈ 8065,5439 см - 1. {\ 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}}) \ cdot (6,62 \ 607 \ 015 \ times 10 ^ {- 34} \; {\ text {J}} \ cdot {\ text {s}})}} \ Thickapprox 8065.5439 \; {\ text {cm}} ^ {- 1}.}{\ 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}}) \ cdot (6.62 \ 607 \ 015 \ times 10 ^ {- 34} \; {\ text {J}} \ cdot {\ text {s}})}} \ Thickapprox 8065.5439 \; {\ text {cm}} ^ {- 1}.}

Температура

В некоторых областях, таких как физика плазмы, удобно использовать электронвольт для выражения температуры. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для преобразования в шкалу Кельвина :

1 k B = 1,602 176 634 × 10 - 19 Дж / эВ 1,380 649 × 10 - 23 Дж / K = 11 604,518 12 К / эВ. {\ displaystyle {1 \ over k _ {\ text {B}}} = {1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} {\ text {J / eV}} \ over 1.380 \ 649 \ times 10 ^ { -23} {\ text {J / K}}} = 11 \ 604.518 \ 12 {\ text {K / eV}}.}{\ displaystyle {1 \ over k _ {\ text {B}}} = {1,602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} {\ text {Дж / эВ}} \ более 1,380 \ 649 \ times 10 ^ {- 23} {\ text {J / K}}} = 11 \ 604.518 \ 12 {\ text {K / эВ}}. }

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.

Свойства

Энергия фотонов в видимом спектре в эВ График зависимости длины волны (нм) от энергии (эВ)

Энергия E, частота v и длина волны λ фотона являются связано соотношением

E = h ν = hc λ {\ displaystyle E = h \ nu = {\ frac {hc} {\ lambda}}}E = час \ Nu = {\ frac {hc} {\ lambda}} = (4,135 667 516 × 10 - 15 эВ · с) (299 792 458 м / с) λ {\ displaystyle = {\ frac {(4.135 \ 667 \ 516 \ times 10 ^ {- 15} \, {\ t_dv {eV}} \, {\ t_dv {s}}) (299 \ 792 \ 458 \, {\ t_dv {м / с}})} {\ lambda}}}{\ displaystyle = {\ frac {(4.135 \ 667 \ 516 \ times 10 ^ {- 15 } \, {\ t_dv {eV}} \, {\ t_dv {s}}) (299 \ 792 \ 458 \, {\ t_dv {m / s}})} {\ lambda}}}

где h - постоянная Планка, c - скорость света. Это сокращается до

E (эВ) = 4,135 667 516 фэВ ν (PHz) {\ displaystyle E {\ t_dv {(eV)}} = 4,135 \ 667 \ 516 \, {\ t_dv {feVs}} \ cdot \ nu \ {\ t_dv {(PHz)}}}{\ Displaystyle E {\ t_dv {(eV)}} = 4.135 \ 667 \ 516 \, {\ t_dv {feVs}} \ cdot \ nu \ {\ t_dv {(PHz)}}} = 1 239,841 93 эВ нм λ (нм). {\ displaystyle = {\ frac {1 \ 239.841 \ 93 \, {\ t_dv {eV}} \, {\ t_dv {nm}}} {\ lambda \ {\ t_dv {(nm)}}}}.}{\ displaystyle = {\ frac {1 \ 239.841 \ 93 \, {\ t_dv {eV}} \, {\ t_dv {nm}}} {\ lambda \ {\ t_dv {(nm)}}}}.}

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.

Эксперименты по рассеянию

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.

Сравнение энергии

Частота фотона в зависимости от энергии частицы в электронвольтах . Энергия фотона изменяется только с частотой фотона, связанной с постоянной скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и массы покоя. Обозначения
γ: Гамма-лучи MIR: Средний инфракрасныйHF: High Freq.
HX: Hard X-ray FIR: Far инфракрасныйMF: Средняя частота
SX: Мягкое рентгеновское излучениеРадиоволны 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
ЭнергияИсточник
5,25 × 10 эВполная энергия, выделяющаяся из устройства ядерного деления 20 кт
1,22 × 10 эВэнергия 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 ПэВдва петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, зарегистрированное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде
14 ТэВрасчетная 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 ТэВна триллион электронвольт, или 1,602 × 10 Дж, что примерно соответствует кинетической энергии летящего москит
172 ГэВэнергия покоя топ-кварка, самая тяжелая измеренная элементарная частица
125,1 ± 0,2 ГэВэнергия, соответствующая массе бозона Хиггса, измеренного двумя отдельными детекторами на LHC с точностью лучше, чем 5 сигма
210 МэВвысвобожденная средняя энергия при делении одного Pu-239 атома
200 МэВприблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении осколков деления одного атома U-235.
105,7 МэВэнергия покоя мюона
17,6 МэВсредняя энергия, выделяющаяся при синтезе дейтерия и тритий с образованием He-4 ; это составляет 0,41 ПДж на килограмм произведенного продукта
2 МэВприблизительная средняя энергия, выделяемая в нейтроне деления ядра, высвобождаемом одним атомом U-235.
1,9 МэВэнергия покоя верхнего кварка, кварка с наименьшей массой.
1 МэВ (1,602 × 10 Дж)примерно вдвое больше энергии покоя электрона
От 1 до 10 кэВприблизительная тепловая температура, k BT {\ displaystyle k_ {B} T}k_BT , в системах ядерного синтеза, таких как ядро ​​солнца, магнитно удерживаемая плазма, инерционное удержание и ядерное оружие
13,6 эВэнергия, необходимая для ионизации атомарного водорода ; молекулярные энергии связи находятся в порядке от 1 до 10 эВ на связь
от 1,6 до 3,4 эВэнергия фотона видимого света
< 2 eVприблизительная энергия покоя нейтрино
1,1 эВэнергия E g {\ displaystyle E_ {g}}E_ {g} требуется для разрыва ковалентной связи в кремнии
720 мэВэнергия E g {\ displaystyle E_ {g}}E_ {g} требуется для разрыва ковалентной связи в германии
25 мэВтепловая энергия, k BT {\ displaystyle k_ {B} T}k_BT , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергию 38 мэВ
230 мкэВтепловую энергию, k BT {\ displaystyle k_ {B} T}k_BT космического микроволнового фона

на моль

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.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26