Электронвольт

Единица энергии

В физике электронвольт (символ эВ , также пишется электрон-вольт и электрон-вольт ) — это мера количества кинетической энергии , полученной одним электроном , ускоряющимся из состояния покоя за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме . При использовании в качестве единицы энергии числовое значение 1 эВ в джоулях (символ J) эквивалентно численному значению заряда электрона в кулонах (символ C). В соответствии с новым определением базовых единиц СИ в 2019 году 1 эВ становится равным точному значению.1,602 176 634 × 10 ^-19  Дж . ^[1]

Исторически электронвольт был разработан в качестве стандартной единицы измерения из-за его полезности в науке об электростатических ускорителях частиц , поскольку частица с электрическим зарядом q получает энергию E = qV после прохождения через напряжение V. Поскольку q должно быть целым числом , кратным элементарного заряда e для любой изолированной частицы, полученная энергия в единицах электронвольтах обычно равна этому целому числу, умноженному на напряжение.

Определение и использование

Электронвольт — это количество кинетической энергии, полученной или потерянной одним электроном , ускоряющимся из состояния покоя за счет разности электрических потенциалов в один вольт в вакууме. Следовательно, его значение равно одному вольту .1 Дж/Кл , умноженный 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) — единица энергии, но не единица СИ . Это общепринятая единица энергии в физике, широко используемая в физике твердого тела , атомной , ядерной физике и физике элементарных частиц , а также в астрофизике высоких энергий . Он обычно используется с префиксами СИ милли-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или экза- (мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ соответственно). Единицей энергии в системе СИ является джоуль (Дж).

В некоторых старых документах, а также в названии Беватрона используется символ BeV, где «B» означает миллиард . Таким образом, символ БэВ эквивалентен ГэВ.

Связь с другими физическими свойствами и единицами

^[3]

Масса

По эквивалентности массы и энергии электронвольт соответствует единице массы . В физике элементарных частиц , где единицы массы и энергии часто меняются местами, массу принято выражать в единицах эВ/ с ² , где с — скорость света в вакууме (из E = mc ² ). Массу принято неофициально выражать в эВ как единицу массы , эффективно используя систему натуральных единиц с c , равным 1. ^[4] Килограммовый эквивалент1 эВ/ c ² это:

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

Например, электрон и позитрон , каждый с массой0,511 МэВ/ c ² , может аннигилировать с образованиемЭнергия 1,022 МэВ . Протон имеет массу0,938 ГэВ/ с ² . В целом массы всех адронов порядка1 ГэВ/ с ² , что делает ГэВ/ с ² удобной единицей массы для физики элементарных частиц: ^[5]

1 ГэВ/ с ² =1,78266192 × 10-27  кг .​​^​

Константа атомной массы ( m u ₎ , составляющая одну двенадцатую массы атома углерода-12, близка к массе протона. Для перевода в электронвольтный эквивалент массы используйте формулу:

м _ты = 1 Да =931,4941 МэВ/ с ² =0,931–4941 ГэВ  / с ² .

Импульс

Разделив кинетическую энергию частицы в электронвольтах на фундаментальную константу c (скорость света), можно описать импульс частицы в единицах эВ/ с . ^[6] В натуральных единицах измерения, в которых фундаментальная константа скорости c численно равна 1, c можно неофициально опустить, чтобы выразить импульс в электронвольтах.

Соотношение энергия -импульс в натуральных единицах представляет собой уравнение Пифагора , которое можно представить в виде прямоугольного треугольника , где полная энергия — это гипотенуза , а импульс и масса покоя — два катета . ${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle m_{0}}$

Соотношение энергии- импульса

$${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$

в натуральных единицах (с ) ${\displaystyle c=1}$

$${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$

является уравнением Пифагора . Когда к частице с относительно низкой массой покоя прикладывается относительно высокая энергия , это можно аппроксимировать, как в физике высоких энергий, так, что приложенная энергия в единицах эВ обычно приводит к примерно эквивалентному изменению импульса в единицах эВ/ с. . ${\displaystyle E\simeq p}$

Размерность единиц импульса равна T ⁻¹ L M . Размеры энергетических единиц составляют T ⁻² L ² M . Деление единиц энергии (например, эВ) на фундаментальную константу (например, скорость света), имеющую единицы скорости ( T ^-1 L ), облегчает необходимое преобразование для использования единиц энергии для описания импульса.

Например, если импульс электрона p называется1 ГэВ , то перевод в систему единиц МКС можно осуществить 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 натуральных единиц, в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка ħ безразмерны и равны единице: c = ħ = 1 . В этих единицах и расстояния, и время выражаются в обратных единицах энергии (в то время как энергия и масса выражаются в одних и тех же единицах, см. эквивалентность массы и энергии ). В частности, длины рассеяния частиц часто выражаются в единицах обратной массы частиц.

Вне 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 ширину ее распада Γ (в эВ) через Γ = ħ / τ . Например,
Б⁰
время жизни мезона составляет 1,530(9)  пикосекунд , средняя длина распада cτ =459,7 мкм или ширина затухания(4,302 ± 25) × 10 ^-4  эВ .

И наоборот, крошечные различия в массах 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 , для выражения температуры удобно использовать электронвольт. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для перевода в шкалу Кельвина :

$${\displaystyle {1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},}$$

где k _B — постоянная Больцмана .

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

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

Длина волны

Энергия фотонов видимого спектра в эВ

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

Энергия E , частота v и длина волны λ фотона связаны соотношением

$${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {4.135\,667\,516\times 10^{-15}\,\mathrm {eV{\cdot }s} \times 299\,792\,458\,\mathrm {m/s} }{\lambda }}}$$

где h — постоянная Планка , c — скорость света . Это сводится к ^[7]

$${\displaystyle {\begin{aligned}E\mathrm {(eV)} &=4.135\,667\,516\times 10^{-15}\,\mathrm {eV{\cdot }s} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 93\,{\text{eV}}{\cdot }{\text{nm}}}{\lambda }}.\end{aligned}}}$$

532 нм2,33 эВ1 эВ1240 нм241,8 ТГц

Эксперименты по рассеянию

В эксперименте по рассеянию ядер при низких энергиях энергию ядерной отдачи принято называть в единицах эВр, кэВр и т. д. Это отличает энергию ядерной отдачи от «электронного эквивалента» энергии отдачи (эВи, кэВи и т. д.) измеряется сцинтилляционным светом. Например, выход фототрубки измеряется в phe/keVee ( фотоэлектронов на электронно-эквивалентную энергию кэВ). Соотношение между eV, eVr и eVee зависит от среды, в которой происходит рассеяние, и должно быть установлено эмпирически для каждого материала.

Сравнение энергии

Частота фотонов в зависимости от энергии частицы в электронвольтах . Энергия фотона меняется только в зависимости от частоты фотона, связанной с постоянной скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и массы покоя . ^{[8] [9] [10]} Легенда

На моль

Каждый моль частиц с энергией 1 эВ имеет примерно 96,5 кДж энергии – это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈96 485  Кл⋅моль ⁻¹ ), где энергия в джоулях n молей частиц с энергией E эВ каждая равна E · F · n .

Смотрите также

• Порядки величины (энергия)

Рекомендации

1. «Значение CODATA 2018: электрон-вольт» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
2. «Значение CODATA 2018: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
3. 1. Андреуччи Калифорния, Фонсека EMM, Хорхе РН. Биопьезоэлектромагнитное и механическое воздействие. Труды Института инженеров-механиков, Часть L: Журнал материалов: проектирование и применение. 2024;0(0). дои: 10.1177/14644207241241406
4. Барроу, JD (1983). «Естественные единицы до Планка». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества . 24 : 24. Бибкод : 1983QJRAS..24...24B.
5. Грон Тюдор Джонс. «Единицы энергии и импульса в физике элементарных частиц» (PDF) . Indico.cern.ch . Проверено 5 июня 2022 г.
6. «Единицы физики элементарных частиц». Инструментарий Института младшего преподавателя . Фермилаб. 22 марта 2002 г. Архивировано из оригинала 14 мая 2011 г. Проверено 13 февраля 2011 г.
7. «Значение CODATA: постоянная Планка в эВ·с» . Архивировано из оригинала 22 января 2015 года . Проверено 30 марта 2015 г.
8. Что такое Свет? Архивировано 5 декабря 2013 г. в Wayback Machine - слайды лекций Калифорнийского университета в Дэвисе.
9. Элерт, Гленн. «Электромагнитный спектр. Гиперучебник физики». Hypertextbook.com. Архивировано из оригинала 29 июля 2016 г. Проверено 30 июля 2016 г.
10. «Определение полос частот включено» . Влф.ит. Архивировано из оригинала 30 апреля 2010 г. Проверено 16 октября 2010 г.
11. Открытые вопросы по физике. Архивировано 8 августа 2014 г. в немецком электронном синхротроне Wayback Machine . Исследовательский центр Ассоциации Гельмгольца. Обновлено JCB в марте 2006 г. Оригинал Джона Баэза.
12. «Растущий сигнал астрофизических нейтрино в IceCube теперь содержит нейтрино с энергией 2 ПэВ». 21 мая 2014 г. Архивировано из оригинала 19 марта 2015 г.
13. Глоссарий. Архивировано 15 сентября 2014 г. в Wayback Machine - Сотрудничество CMS, ЦЕРН.
14. АТЛАС ; ЦМС (26 марта 2015 г.). «Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s = 7 и 8 ТэВ с помощью экспериментов ATLAS и CMS». Письма о физических отзывах . 114 (19): 191803. arXiv : 1503.07589 . Бибкод : 2015PhRvL.114s1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.114.191803 . ПМИД  26024162.
15. Мертенс, Сюзанна (2016). «Прямые эксперименты с массой нейтрино». Физический журнал: серия конференций . 718 (2): 022013. arXiv : 1605.01579 . Бибкод : 2016JPhCS.718b2013M. дои : 10.1088/1742-6596/718/2/022013. S2CID  56355240.

Внешние ссылки

• справочник физических констант; Данные CODATA