Электронвольт

Единица энергии

В физике электронвольт (символ эВ ), также пишется как электрон-вольт и электрон-вольт , является мерой количества кинетической энергии, получаемой одним электроном, ускоряющимся за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме . При использовании в качестве единицы энергии численное значение 1 эВ в джоулях (символ Дж) равно числовому значению заряда электрона в кулонах (символ К). В соответствии с пересмотром СИ 2019 года это устанавливает 1 эВ равным точному значению1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Дж . ^[1]

Исторически электронвольт был придуман в качестве стандартной единицы измерения благодаря его полезности в электростатических ускорителях частиц , поскольку частица с электрическим зарядом q приобретает энергию E = qV после прохождения через напряжение V.

Определение и использование

Электронвольт — это количество энергии, приобретаемое или теряемое одним электроном при его движении через разность электрических потенциалов в один вольт . Следовательно, он имеет значение в один вольт , что равно1 Дж/Кл , умноженное на элементарный заряд e  = 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Кл . ^[2] Следовательно, один электронвольт равен1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  Дж . ^[1]

Электронвольт (эВ) является единицей энергии, но не является единицей СИ . Это общеупотребительная единица энергии в физике, широко используемая в физике твердого тела , атомной , ядерной физике и физике элементарных частиц , а также астрофизике высоких энергий . Обычно она используется с префиксами СИ милли- (10 ^-3 ), кило- (10 ³ ), мега- (10 ⁶ ), гига- (10 ⁹ ), тера- (10 ¹² ), пета- (10 ¹⁵ ) или экса- (10 ¹⁸ ), соответствующие символы - мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ. Единицей СИ для энергии является джоуль (Дж).

В некоторых старых документах и ​​в названии Беватрон используется символ БэВ , где B означает миллиард . Таким образом, символ БэВ эквивалентен ГэВ , хотя ни один из них не является единицей СИ.

Связь с другими физическими свойствами и единицами измерения

В областях физики, в которых используется электронвольт, другие величины обычно измеряются с использованием единиц, полученных из электронвольта как произведения фундаментальных констант, имеющих важное значение в теории.

Масса

По эквивалентности массы и энергии электронвольт соответствует единице массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто взаимозаменяемы, принято выражать массу в единицах эВ/ с2 , где с — скорость света в вакууме (из E = mc2 ). Массу принято неформально выражать в терминах эВ как ^{единицу} массы , эффективно используя систему естественных единиц с с ^, установленным равным 1. ^[3 ] Килограммовый эквивалент1 эВ/ с ² равен:

$${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{C}})\times 1\,{\text{V}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$$

Например, электрон и позитрон , каждый с массой0,511 МэВ/ c2 ^, может аннигилировать с образованием1,022 МэВ энергии. Протон имеет массу0,938 ГэВ/ с ^2. В общем случае массы всех адронов имеют порядок¹ ГэВ/ c2 , что делает ГэВ/ ^c2 удобной единицей массы в физике элементарных частиц: ^[4]

1 ГэВ/ с ² =1,782 661 92 × 10 ⁻²⁷  кг .

Атомная массовая константа ( m _u ), одна двенадцатая массы атома углерода-12, близка к массе протона. Для перевода в эквивалент массы электронвольта используйте формулу:

м _u = 1 Да =931,4941 МэВ/ с ² =0,931 4941  ГэВ / с2 ^.

Импульс

Разделив кинетическую энергию частицы в электронвольтах на фундаментальную постоянную c (скорость света), можно описать импульс частицы в единицах эВ/ c . ^[5] В естественных единицах, в которых фундаментальная константа скорости c численно равна 1, c можно неформально опустить, чтобы выразить импульс с помощью единицы электронвольт.

Соотношение энергии и импульса в натуральных единицах , , представляет собой уравнение Пифагора , которое можно представить в виде прямоугольного треугольника , где полная энергия является гипотенузой , а импульс и масса покоя — двумя катетами . ${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle m_{0}}$

Соотношение энергии и импульса в естественных единицах (с ) представляет собой уравнение Пифагора . Когда относительно высокая энергия прикладывается к частице с относительно низкой массой покоя , ее можно аппроксимировать как в физике высоких энергий, так что приложенная энергия с выраженной в единице эВ удобно приводит к численно приблизительно эквивалентному изменению импульса при выраженной в единице эВ/ с . $${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$ ${\displaystyle c=1}$ $${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$ ${\displaystyle E\simeq p}$

Размерность импульса равна T ⁻¹ L M . Размерность энергии равна T ⁻² L ² M . Деление единицы энергии (например, эВ) на фундаментальную константу (например, скорость света), имеющую размерность скорости ( T ⁻¹ L ), облегчает требуемое преобразование для использования единицы энергии для количественной оценки импульса.

Например, если импульс p электрона равен1 ГэВ/ с , то переход к системе единиц МКС может быть выполнен следующим образом: $${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

Расстояние

В физике элементарных частиц широко используется система естественных единиц, в которой скорость света в вакууме c и приведённая постоянная Планка ħ безразмерны и равны единице: c = ħ = 1. В этих единицах и расстояния, и время выражаются в обратных единицах энергии (при этом энергия и масса выражаются в одних и тех же единицах, см. эквивалентность массы и энергии ). В частности, длины рассеяния частиц часто представляются с использованием единицы обратной массы частицы.

За пределами этой системы единиц коэффициенты перевода между электронвольтом, секундой и нанометром следующие: $${\displaystyle \hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .}$$

Приведенные выше соотношения также позволяют выразить среднее время жизни τ нестабильной частицы (в секундах) через ее ширину распада Γ (в эВ) через Γ = ħ / τ . Например,
Б⁰
Время жизни мезона составляет 1,530(9)  пикосекунд , средняя длина распада составляет cτ =459,7 мкм , или ширина распада4,302(25 ⁾ × 10−4  эВ .

Напротив, крошечные различия в массе мезонов, ответственные за мезонные колебания, часто выражаются в более удобных обратных пикосекундах.

Энергия в электронвольтах иногда выражается через длину волны света с фотонами той же энергии: $${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$$

Температура

В некоторых областях, таких как физика плазмы , удобно использовать электронвольт для выражения температуры. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для перевода в шкалу Кельвина : где k _B — постоянная Больцмана . $${\displaystyle {1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},}$$

Например, при использовании электронвольта для выражения температуры предполагается k B _, типичная термоядерная плазма с магнитным удержанием имеет вид15 кэВ (килоэлектронвольт), что равно 174 МК (мегакельвин).

Приблизительно: k _B T составляет около0,025 эВ (≈ ⁠290 К/11604 К/эВ⁠ ) ​​при температуре20 °С .

Длина волны

Энергия фотонов в видимом спектре в эВ

График зависимости длины волны (нм) от энергии (эВ)

Энергия E , частота ν и длина волны λ фотона связаны соотношением, где h — постоянная Планка , c — скорость света . Это сводится к ^[6] Фотон с длиной волны $${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно2,33 эВ . Аналогично,1 эВ будет соответствовать инфракрасному фотону с длиной волны1240 нм или частота241,8 ТГц .

Эксперименты по рассеянию

В эксперименте по низкоэнергетическому ядерному рассеянию принято ссылаться на энергию отдачи ядра в единицах эВр, кэВр и т. д. Это отличает энергию отдачи ядра от «электронного эквивалента» энергии отдачи (эВэ, кэВэ и т. д.), измеряемой сцинтилляционным светом. Например, выход фототрубки измеряется в phe/keVee ( фотоэлектроны на кэВ эквивалентной энергии электрона). Соотношение между эВ, эВр и эВэ зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.

Сравнения энергии

Частота фотона против энергии частицы в электронвольтах . Энергия фотона меняется только с частотой фотона, связанной со скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и массы покоя . ^{[7] [8] [9]}

Молярная энергия

Один моль частиц, каждая из которых имеет энергию в 1 эВ, имеет приблизительно 96,5 кДж энергии — это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈96 485  Кл⋅моль ⁻¹ ), где энергия в джоулях n молей частиц, каждая с энергией E  эВ, равна E · F · n .

Смотрите также

• Порядки величины (энергия)

Ссылки

1. "2022 CODATA Value: электрон-вольт". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
2. "2022 CODATA Value: Elementary Charge". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
3. Барроу, Дж. Д. (1983). «Естественные единицы до Планка». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества . 24 : 24. Бибкод : 1983QJRAS..24...24B.
4. Грон Тюдор Джонс. "Энергия и единицы импульса в физике элементарных частиц" (PDF) . Indico.cern.ch . Получено 5 июня 2022 г. .
5. "Единицы в физике частиц". Associate Teacher Institute Toolkit . Fermilab. 22 марта 2002 г. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 г. Получено 13 февраля 2011 г.
6. "2022 CODATA Value: Planck constant in eV/Hz". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
7. Молинаро, Марко (9 января 2006 г.). ""Что такое свет?"" (PDF) . Калифорнийский университет в Дэвисе . IST 8A (Проливая свет на жизнь) - W06. Архивировано из оригинала (PDF) 29 ноября 2007 г. . Получено 7 февраля 2014 г. .
8. Элерт, Гленн. «Электромагнитный спектр, гипертекстовая книга по физике». hypertextbook.com. Архивировано из оригинала 29-07-2016 . Получено 30-07-2016 .
9. "Определение частотных диапазонов на". Vlf.it. Архивировано из оригинала 2010-04-30 . Получено 2010-10-16 .
10. Лохнер, Джим (11 февраля 1998 г.). «Энергия Большого взрыва». NASA . Помощь от: Ковитт, Марк; Коркоран, Майк; Гарсия, Леонард. Архивировано из оригинала 19 августа 2014 г. Получено 26 декабря 2016 г.
11. Baez, John (июль 2012 г.). «Открытые вопросы физики». DESY . Архивировано из оригинала 11 марта 2020 г. Получено 19 июля 2012 г.
12. «Сколько ватт потребляет лампочка?». EnergySage . Получено 2024-06-06 .
13. "Растущий астрофизический нейтринный сигнал в IceCube теперь содержит нейтрино с энергией 2 ПэВ". 21 мая 2014 г. Архивировано из оригинала 19.03.2015.
14. "Глоссарий". Компактный мюонный соленоид . ЦЕРН . Электронвольт (эВ). Архивировано из оригинала 11 декабря 2013 года . Получено 18 августа 2014 года .
15. ATLAS ; CMS (26 марта 2015 г.). "Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s=7 и 8 ТэВ с помощью экспериментов ATLAS и CMS". Physical Review Letters . 114 (19): 191803. arXiv : 1503.07589 . Bibcode :2015PhRvL.114s1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.114.191803 . PMID  26024162.
16. Mertens, Susanne (2016). "Прямые эксперименты с массой нейтрино". Journal of Physics: Conference Series . 718 (2): 022013. arXiv : 1605.01579 . Bibcode : 2016JPhCS.718b2013M. doi : 10.1088/1742-6596/718/2/022013. S2CID  56355240.

Внешние ссылки

• Фундаментальные физические константы от NIST