Elektron-volt

Elektron-volt
eV, eV
Værdi energi
System off-system
Type afledte

Elektrovolt ( elektronvolt , sjældent elektronvolt ; russisk betegnelse: eV, international: eV) er en energienhed uden for systemet, der bruges i atom- og kernefysik , i elementær partikelfysik og i nære og beslægtede videnskabsområder ( biofysik , fysisk kemi , astrofysik , osv.. P.). I Den Russiske Føderation er elektronvolt godkendt til brug som en off-system enhed uden tidsbegrænsning inden for rammerne af " fysik " [1] .

Definition

En elektronvolt er lig med den energi , der kræves for at overføre en elementær ladning i et elektrostatisk felt mellem punkter med en potentialforskel på 1 V [2] . Da arbejdet under overførslen af ​​ladning q er lig med qU (hvor U  er potentialforskellen), og den elementære ladning er 1,602 176 634⋅10 −19 C (præcis) [3] , så

1 eV = 1,602 176 634⋅10 −19 J (præcis) = 1,602 176 634⋅10 −12 erg (præcis).

Grundlæggende information

I elementarpartikelfysik udtrykkes ikke kun energien E normalt i elektronvolt , men også massen m af elementarpartikler [4] [5] . Grunden til dette er det faktum, at på grund af ækvivalensen af ​​masse og energi er forholdet m = E 0 / c 2 opfyldt , hvor c  er lysets hastighed , E 0 er energien af ​​en partikel i hvile. Da c  er en fundamental konstant lig med 299 792 458 m/s (præcis), som ikke ændrer sig under nogen betingelser, så bestemmer det entydigt værdien af ​​massen ved at angive dens hvileenergi udtrykt i elektronvolt som en karakteristik af massen af ​​en partikel i nogen traditionelle enheder og til misforståelser ikke fører. I masseenheder er 1 eV = 1,782 661 921...⋅10 −36 kg (præcis) [3] , og omvendt, 1 kg = 5,609 588 603...⋅10 35 eV (præcis) [3] . Atommasseenheden er i værdi tæt på 1 GeV (med en fejl på ca. 7%): 1 a. e.m. _ _ _ e.m. [3] . En elementarpartikels momentum kan også udtrykkes i elektronvolt (strengt taget i eV/ c ).

En elektronvolt er en lille værdi sammenlignet med energierne, der er karakteristiske for de fleste nukleare processer; flere enheder bruges normalt i dette område af fysik:

Den seneste generation af partikelacceleratorer gør det muligt at nå adskillige billioner elektronvolt (tera elektronvolt, TeV). En TeV er omtrent lig med den (kinetiske) energi af en flyvende myg [6] eller den energi, der frigives, når en lille dråbe vand med en diameter på 1 mm (masse ca. 0,5 mg ) falder fra en højde på 3 cm .

Temperatur , som er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af partikler, udtrykkes også nogle gange i elektronvolt, baseret på forholdet mellem temperatur og energi af partikler i en monoatomisk idealgas Ekin = 3 ⁄ 2 kT [ 5] . I temperaturenheder svarer 1 eV til 11.604.518 12... kelvin (præcis) [3] (se Boltzmanns konstant ) [7] .

Elektronvolt udtrykker energien af ​​elektromagnetiske strålingskvanter ( fotoner ). Energien af ​​fotoner med en frekvens ν i elektronvolt er numerisk lig h ν/ E eV , og stråling med en bølgelængde λ  er hc /(λ E eV ) , hvor h  er Plancks konstant og E eV  er energien lig med til en elektronvolt, udtrykt i enheder af det samme system af enheder som bruges til at udtrykke h , ν , og λ . Da for ultrarelativistiske partikler, herunder fotoner, λ E \u003d hc , så når man beregner energien af ​​fotoner med en kendt bølgelængde (og omvendt), er en konverteringsfaktor ofte nyttig, som er produktet af Planck-konstanten og hastigheden af lys udtrykt i eV nm :

hc = 1239.841 984... eV nm (præcis) [3] ≈ 1240 eV nm.

En foton med en bølgelængde på 1 nm har således en energi på 1240 eV; en foton med en energi på 10 eV har en bølgelængde på 124 nm, og så videre.

Arbejdsfunktionen af ​​den eksterne fotoelektriske effekt måles også i elektronvolt  - den mindste energi, der kræves for at fjerne en elektron fra et stof under påvirkning af lys .

I kemi bruges ofte den molære ækvivalent af en elektronvolt. Hvis et mol elektroner eller enkeltladede ioner overføres mellem punkter med en potentialforskel på 1 V , vinder (eller taber) energi Q = 96 485.332 12... J (præcis) [3] , svarende til produktet af 1 eV og Avogadros nummer . Denne værdi, udtrykt i joule, er numerisk lig med Faraday-konstanten (ladningsmodulet på 1 mol elektroner), udtrykt i vedhæng. Tilsvarende, hvis der under en kemisk reaktion i et mol af et stof frigives (eller absorberes) en energi på 96,485 kJ , så taber (eller vinder) hvert molekyle derfor ca. 1 eV .

Henfaldsbredden Γ af elementarpartikler og andre kvantemekaniske tilstande, såsom nukleare energiniveauer, måles også i elektronvolt . Henfaldsbredden er tilstandsenergiusikkerheden relateret til tilstandslevetiden τ ved usikkerhedsrelationen : Γ = ħ / τ ) . En partikel med en henfaldsbredde på 1 eV har en levetid på 6.582 119 569...⋅10 −16 s (præcis) [3] . Tilsvarende har en kvantemekanisk tilstand med en levetid på 1 s en bredde på 6.582 119 569...⋅10 −16 eV (præcis) [3] .

En af de første til at bruge udtrykket "elektronvolt" var den amerikanske fysiker og ingeniør Karl Darrow i 1923 [8] .

Multipler og submultipler

Inden for atom- og højenergifysik bruges flere enheder almindeligvis: kiloelektronvolt (keV, keV, 10 3 eV), megaelektronvolt (MeV, MeV, 10 6 eV), gigaelektronvolt (GeV, GeV, 10 9 eV) og tera (elektronvolt). TeV, TeV, 1012 eV ). I kosmisk strålefysik bruges derudover peta-elektronvolt (PeV, PeV, 10 15 eV) og exa-elektronvolt (EeV, EeV, 10 18 eV). I båndteorien om faste stoffer, halvlederfysik og neutrinofysik  - submultiple enheder: millielektronvolt (meV, meV, 10 −3 eV).

Multipler Dolnye
størrelse titel betegnelse størrelse titel betegnelse
101 eV _ dekaelektronvolt DaeV DaeV 10 −1 eV decielectronvolt deV deV
10 2 eV hektoelektronvolt geV heV 10-2 eV _ centieelektronvolt sev ceV
10 3 eV keV keV keV 10-3 eV _ millielektronvolt meV meV
10 6 eV megaelektronvolt MeV MeV 10-6 eV _ mikroelektronvolt µeV µeV
10 9 eV gigaelektronvolt GeV GeV 10-9 eV _ nanoelektronvolt neV neV
10 12 eV teraelektronvolt TeV TeV 10-12 eV _ pikoelektronvolt peV peV
10 15 eV petaelectronvolt PeV PeV 10-15 eV _ femtoelektronvolt feb feV
10 18 eV eksaelektronvolt EeV EEV 10-18 eV _ atoelektronvolt aeV aeV
10 21 eV zettaelektronvolt ZeV ZeV 10-21 eV _ zeptoelektronvolt zeV zeV
10 24 eV yottaelectronvolt IeV YeV 10-24 eV _ ioktoelektronvolt IeV yeV
     anbefales til brug      anvendelse anbefales ikke

Nogle værdier af energier og masser i elektronvolt

Energien af ​​et kvantum af elektromagnetisk stråling med en frekvens på 1 THz 4,13 meV
Termisk energi af translationel bevægelse af et molekyle ved stuetemperatur ≈0,025 eV
Fotonenergi med en bølgelængde på 1240 nm ( nær infrarødt område af det optiske spektrum) 1,0 eV
Energi af en foton med en bølgelængde på 500 nm (grænse af grønne og blå farver i det synlige spektrum) ≈2,5 eV
Energi til dannelse af et vandmolekyle fra brint og oxygen [9] 3,0 eV
Rydberg konstant (næsten lig med ioniseringsenergien af ​​et brintatom ) 13.605 693 122 994(26) eV [3]
Energien af ​​en elektron i et strålerør på et TV Omkring 20 keV
kosmiske stråleenergier 1 MeV — 1⋅10 21 eV
Typisk energi af partikler - produkter af nukleart henfald
alfapartikler 2-10 MeV [10]
beta partikler 0-6 MeV [10]
gamma kvantum 0,01-5 MeV [10]
Partikelmasser
Neutrino [11] Summen af ​​masserne af alle tre smagsstoffer < 0,12 eV [12]
Elektron [11] 0,510 998 950 00(15) MeV [3]
Proton [11] 938.272 088 16(29) MeV [3]
Higgs boson 125,09 ± 0,24 GeV [13]
t-kvark (den tungeste kendte elementarpartikel) [11] 173,315 ± 0,485 ± 1,23 GeV [14]
Planck masse
1.220 890(14)⋅10 19 GeV [3]

Noter

  1. ↑ Forordninger om mængdeenheder, der er tilladt til brug i Den Russiske Føderation. Arkiveksemplar af 2. november 2013 på Wayback-maskinen godkendt ved dekret fra den russiske føderations regering af 31. oktober 2009 nr. 879.
  2. ↑ Elektronvolt // Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 bind]  / kap. udg. A. M. Prokhorov . - 3. udg. - M .  : Sovjetisk encyklopædi, 1969-1978.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Komplet liste
  4. ↑ Populærvidenskabelig rapport ved Præsidiet for Det Russiske Videnskabsakademi af L. B. Okun
  5. ↑ 1 2 Elektronvolt // Physical Encyclopedia / Kap. udg. A. M. Prokhorov . - M . : Great Russian Encyclopedia , 1998. - T. 5. Stroboskopiske apparater - Lysstyrke. - S. 545. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 .
  6. ↑ Ordliste  - CMS Collaboration, CERN: "Electronvolt (eV): En enhed af energi eller masse brugt i partikelfysik". (Engelsk)
  7. ↑ Omregningsfaktorer for energiækvivalenter
  8. ↑ Darrow KK Nogle moderne fremskridt i fysik  //  Bell System Technical Journal. — Bd. 2 (4). - S. 110. Arkiveret 12. oktober 2014.
  9. ↑ Numerisk lig med standardentalpien for dannelse af vand i joule pr. mol divideret med Avogadro-konstanten og divideret med elektronladningsmodulet i coulomb
  10. ↑ 1 2 3 Gamma-Ray Spectrum Catalogue
  11. ↑ 1 2 3 4 Måleenheder for afstande, energier og masser
  12. ↑ Mertens S. Direkte Neutrino-masseeksperimenter  //  J. Phys.: Conf. Ser.. - 2016. - Vol. 718 . — S. 022013 . Åben adgang
  13. ↑ ATLAS og CMS frigiver fælles måling af Higgs bosonmasse (link ikke tilgængeligt) . Hentet 28. juni 2015. Arkiveret fra originalen 2. april 2015. 
  14. ↑ Egenskaber for topkvarken: resultater

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier