Електронволт

Електронволт, eV, је јединица енергије једнака кинетичкој енергији коју задобије слободни електрон у вакууму проласком кроз потенцијалну разлику од једног волта. Другим речима, то је један волт (1 волт = 1 џул по кулону) пута наелектрисање једног електрона (у кулонима). Један електронволт је врло мала јединица енергије: 1 eV = 1,602 176 53(14)×10⁻¹⁹ J.^[1]

У физици, електронволт^[2]^[3] (симбол eV; такође се пише електрон волт) јесте јединица енергије једнака приближно 160 зептоџула (симбол zJ) или 6981160000000000000♠1,6×10⁻¹⁹ џула (симбол J). По дефиницији, то је количина енергије добијене (или изгубљене) набојем једног електрона који се помера кроз електричну потенцијалну разлику једног волта. Тако је 1 волт (1 џул по кулону или 7000100000000000000♠1 J/°C) помножен елементарним набојем (e, или 6981160217656499999♠1,602176565(35)×10⁻¹⁹ C). Отуда је, један електронволт једнак 6981160217656499999♠1,602176565(35)×10⁻¹⁹ J.^[4] Историјски, електронволт је био стандардна јединица мере кроз своју користивост у електростатичком акцелератору честица због честица са набојем q који има енергију E = qV кроз пролазак кроз потенцијал V; ако се q узима у целобројним јединицама елементарног набоја и терминални преднапон у волтима, добија се енергија у eV.

Електронволт није СИ јединица, те је његова дефиниција емпиријска (за разлику од литра, светлосне године и осталих таквих не-СИ јединица), тако да његова вредност у СИ јединицама мора бити добијена експериментално.^[5] Као елементарни набој на којем је заснован, он није независног квантитета него је једнак 1 J/C √2h α / μ₀ c₀. То је општа јединица енергије у физици, шире кориштена у чврстом стању, атомској, нуклеарној и физици честица. Често се користи са метричким префиксима мили-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или екса- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV и EeV респективно). Тако meV стоји за милиелектронволт.

У неким старијим документима, и у имену Беватрон, симбол BeV се користи, који стоји за милијарду eV; то је еквивалент за GeV.

Мера	Јединица	СИ вредност јединице
Енергија	eV	6981160217656499999♠1,602176565(35)×10⁻¹⁹ J
Маса	eV/c²	6964178266199900000♠1,782662×10⁻³⁶ kg
Импулс	eV/c	6972534428600000000♠5,344286×10⁻²⁸ kg⋅m/s
Температура	eV/k_B	7004116045050099999♠11604.505(20) K
Време	ħ/eV	6984658211900000000♠6,582119×10⁻¹⁶ s
Удаљеност	ħc/eV	6993197327000000000♠1,97327×10⁻⁷ m

Дефиниција

Електронволт је количина кинетичке енергије стечена или изгубљена једним електроном који убрзава из мировања кроз електричну разлику потенцијала од једног волта у вакууму. Отуда има вредност од једног волта, 7000100000000000000♠1 J/C, помноженог са елементарним наелектрисањем електрона e, 6981160217663400000♠1,602176634×10⁻¹⁹ C.^[6] Према томе, један електронволт је једнак 6981160217663400000♠1,602176634×10⁻¹⁹ J.^[7]

Електронволт, за разлику од волта, није СИ јединица. Електронволт (eV) је јединица енергије док је волт (V) изведена СИ јединица електричног потенцијала. СИ јединица за енергију је џул (J).

Однос према другим физичким својствима и јединицама

Маса

Еквиваленцијом масе и енергије, електроволта је такође јединица масе. Уобичајено је у физици честица, где се јединице масе и енергије често замењују, да се маса изражава у јединицама eV/c², где је c брзина светлости у вакууму (од E = mc²). Уобичајено је да се маса једноставно изражава у виду „eV” као јединицом масе, ефикасно користећи систем природних јединица са c подешеним на 1.^[8] Еквивалент масе од 7000100000000000000♠1 eV/c² је

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}}.

На пример, електрон и позитрон, сваки са масом од 6999511000000000000♠0,511 MeV/c², могу да се униште дајући 6987163742436971400♠1,022 MeV енергије. Маса протона је 6999938000000000000♠0,938 GeV/c². Генерално, масе свих хадрона су реда 7000100000000000000♠1 GeV/c², што GeV (гигаелектронволт) чини погодном јединицом масе за физику честица:

1 GeV/c² = 1,78266192×10⁻²⁷ kg.

Обједињена атомска јединица масе (u), готово тачно 1 грам подељена Авогадровим бројем, готово је маса атома водоника, што је углавном маса протона. Да би се претворила у електронволте, користи се формула:

1 u = 931,4941 MeV/c² = 0,9314941 GeV/c².

Коришћење електронволта за изражавање масе

Према Ајнштајну енергија је еквивалентна маси, E=mc² (1 kg = 90 пета џула). Због тога је у физици елементарних честица, где се маса и енергија користе као синоними, уобичајена употреба јединице eV/c² или још једноставније само eV за изражавање масе.

На пример, електрон и позитрон сваки са масом од 0,511 MeV/c², могу да се анихилирају ослобађајући енергију од 1,022 MeV. Протон има масу од 0,938 GeV, што чини GeV (гигаелектронволт)врло погодном јединицом за масу субатомских честица.

1 eV/c² = 1,783×10⁻³⁶ kg

1 keV/c² = 1,783×10⁻³³ kg

1 MeV/c² = 1,783×10⁻³⁰ kg

1 GeV/c² = 1,783×10⁻²⁷ kg

1 TeV/c² = 1,783×10⁻²⁴ kg

1 PeV/c² = 1,783×10⁻²¹ kg

1 EeV/c² = 1,783×10⁻¹⁸ kg

Електронволт и енергија

За поређење:

3,2×10⁻¹¹ Ј или 200 MeV је тотална енергија ослобођена цепањем једног атома U-235 (ово је средња вредност; права вредност зависи од начина цепања)
3,5×10⁻¹¹ Ј или 210 MeV је средња вредност енергије ослобођене при цепању једног атома Pu-239 atom (права вредност зависи од начина цепања)
Енергије хемијских веза су реда електронволта по молекулу.
Кинетичка енергија молекула у атмосфери на собоној темеператури је око 1 ×10⁻²¹ J или 1/40 eV.
Израз $1eV=1V\times q_{e}$ показује зашто је eV основна јединица за енергију пошто $V\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {W \over q_{0}}$ или еквивалентно $V\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\triangle E \over q_{0}}$ чиме се уклања погрешно веровање да је eV јединица за потенцијал или наелктрисање.

Електронволт и особине фотона

Енергија, E, фреквенција, ν, и таласна дужина, λ фотона повезани су изразом

E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{\lambda }}

где је h Планкова константа а c брзина светлости. На пример, спектар видљивог зрачења простире се у опсегу таласних дужина 400 nm до 700 nm. Стога фотони видљивог зрачења имају енергије од

E_{min}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{700~{\rm {nm}}}}=1,77~{\rm {eV}}

до

E_{max}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{400~{\rm {nm}}}}=3,10~{\rm {eV}}

.

Електронволт и температура

У неким областима, као што је физика плазме, уобичајено је да се електронволт користи као јединица температуре. Конверзија у келвине, К, постиже се преко Болцманове константе, k_B

{1{\mbox{ eV}} \over k_{B}}={1,60217653(14)\times 10^{-19}{\mbox{J}} \over 1,3806505(24)\times 10^{-23}{\mbox{J/K}}}=11604,505(20){\mbox{ kelvins}}

На пример, типична плазма у фузији је енергије 15 keV, или 174 мегакелвина.

Употреба електронволта за изражавање времена и растојања

У физици честица, растојање и време се понекад изражава у инверзним електронволтима преко фактора конверзије^[9]

$\hbar$ = 6,582 118 89(26) x 10^-16 eV s
$\hbar c$ = 197,326 960 2(77) eV nm

Растојање

У физици честица широко се користи систем природних јединица у којима су брзина светлости у вакууму c и редукована Планкова константа ħ бездимензионалне и једнаке јединици: c = ħ = 1. У овим јединицама се изражавају растојања и времена у инверзним енергетским јединицама (док су енергија и маса изражене у истим јединицама, погледајте еквивалентност масе и енергије). Конкретно, дужине расејања честица се често представљају помоћу јединице инверзне масе честица.

Изван овог система јединица, фактори конверзије између електронволта, секунде и нанометра су следећи: $\hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .$

Горе наведени односи такође омогућавају да се изрази средњи животни век τ нестабилне честице (у секундама) у смислу њене ширине распада Γ (у eV) преко . На пример, B0 мезон има животни век од 1,530(9) пикосекунди, средња дужина распада је cτ = 6996459699999999999♠459,7 µm, или ширина распада од 6977689256324707400♠4,302(25)×10⁻⁴ eV.

Супротно томе, мале разлике у маси мезона одговорне за мезонске осцилације често се изражавају у погоднијим инверзним пикосекундама.

Енергија у електронволтима се понекад изражава кроз таласну дужину светлости са фотонима исте енергије:

${\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.$

Таласна дужина

Енергија фотона у видљивом спектру у eV

Граф таласне дужине (nm) у односу на енергију (eV)

Енергија E, фреквенција ν и таласна дужина λ фотона су повезане са $E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}$

где је h Планкова константа, c је брзина светлости. Ово се своди на ${\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}$

Фотон са таласном дужином од 6993532000000000000♠532 nm (зелено светло) имао би енергију од приближно 6981373307121471000♠2,33 eV. Слично, 6981160217648700000♠1 eV би одговарао инфрацрвеном фотону таласне дужине 6994124000000000000♠1240 nm или фреквенције 7014241800000000000♠241,8 THz.

Експерименти расејања

У експерименту нискоенергетског нуклеарног расејања, уобичајено је да се енергија нуклеарног трзаја означава у јединицама eVr, keVr, итд. Ово разликује енергију нуклеарног трзаја од „електронског еквивалента“ енергије трзања (eVee, keVee, итд.) мерено сцинтилационом светлошћу. На пример, принос фотоцеви се мери у phe/keVee (фотоелектрони по keV електрон-еквивалентној енергији). Однос између eV, eVr, и eVeeе зависи од средине у којој се расејање одвија и мора се утврдити емпиријски за сваки материјал.

Поређења енергије

Фреквенција фотона насупрот енергије честице у електронволтима. Енергија фотона варира са фреквенцијом фотона, што је везано константом брзине светлости. Ови контрасти са масивним честицама од којих енергија зависи од своје брзине и остатка масе.^[10]^[11]^[12]
Легенда

γ: Гама зраци	MIR: средње инфрацрвено	HF: висока фреквенција.
HX: Јаки X-зраци	FIR: далеко инфрацрвено	MF: средња фреквенција.
SX: Благи X-зраци	Радио талас	LF: ниска фреквенција.
EUV: Екстремна ултраљубичаста	EHF= екстремно висока фреквенција	VLF: веома ниска фреквенција
NUV: Близу ултраљубичастог	SHF= супер висока фреквенција	VF/ULF: збучна фреквенција
Видљиво светло	UHF= ултра висока фреквенција	SLF: супер ниска фреквенција
NIR: Близо инфрацрвеног	VHF= веома висока фреквенција	ELF: екстремно ниска фреквенција
Фрек.: Фреквенција

Енергија	Извор
7058299999999999999♠3×10⁵⁸ QeV	маса-енергија све обичне материје у видљивом универзуму^[13]
7001525000000000000♠52,5 QeV	енергија ослобођена од експлозије 20 килотонског ТНТ еквивалента (нпр. принос нуклеарног оружја фисионе бомбе Дебељко)
7001122000000000000♠12,2 ReV	Планкова енергија
7001100000000000000♠10 YeV	приближна енергија великог уједињења
7002300000000000000♠300 EeV	прва примећена честица космичког зрака ултра-високе енергије, такозвана честица Ох-Боже^[14]
7001624000000000000♠62,4 EeV	енергија коју троши уређај од 10 вати (нпр. типична^[15] ЛЕД сијалица) у једној секунди (7001100000000000000♠10 W = 7001100000000000000♠10 J/s ≈ 7000999758127888000♠6,24×10¹⁹ eV/s)
7000200000000000000♠2 PeV	неутрино највеће енергије који је откривен неутрино телескопом Ајскјуб на Антарктику^[16]
6994224304708180000♠14 TeV	пројектована енергија судара у центру масе протона на Великом хадронском сударачу (радио на 3,5 TeV од свог почетка 30. марта 2010. године, достигао 13 TeV у мају 2015.)
6993160217648700000♠1 TeV	6993160200000000000♠0,1602 µJ, око кинетичке енергије летећег комарца^[17]
6992275574355763999♠172 GeV	енергија масе мировања горњег кварка, најтеже елементарне честице за коју је ово одређено
6992200432278523699♠125,1±0,2 GeV	енергија масе мировања Хигсовог бозона, мерена са два одвојена детектора на LHC-у са сигурношћу бољом од 5 сигма^[18]
6989336457062270000♠210 MeV	просечна енергија ослобођена при фисији једног атома Pu-239
6989320435297400000♠200 MeV	приближна просечна енергија ослобођена при нуклеарној фисији једног атома U-235.
6989169350054675900♠105,7 MeV	енергија масе мировања миона
6988281983061712000♠17,6 MeV	просечна енергија ослобођена у нуклеарној фузији деутеријума и трицијума да би се формирао He-4; ово је 7014410000000000000♠0,41 PJ по килограму произведеног производа
6987320435297400000♠2 MeV	приближна просечна енергија ослобођена у нуклеарној фисији неутрона ослобођеног из једног атома U-235.
6987304413532530000♠1,9 MeV	Енергија масе мировања горњег кварка, кварка најниже масе.
6987160217648700000♠1 MeV	6987160200000000000♠0,1602 pJ, око двоструке енергије масе мировања електрона
6984160217648700000♠1 до 10 keV	приближна топлотна енергија, $k B T$ , у системима нуклеарне фузије, као што је језгро сунца, магнетно затворене плазме, инерцијално ограничење и нуклеарно оружје
6982217896002232000♠13,6 eV	енергија потребна за јонизацију атомског водоника; енергије молекуларне везе су реда величине од 6981160217648700000♠1 eV до 6982160217648700000♠10 eV по вези
6981264359120354999♠1,65 до 3,26 eV	опсег енергије фотона $({\tfrac {hc}{\lambda }})$ видљивог спектра од црвене до љубичасте
6981176239413570000♠1,1 eV	енергија $E_{g}$ потребна за прекид ковалентне везе у силицијуму
6981115356707063999♠720 meV	енергија $E_{g}$ потребна за прекид ковалентне везе у германијуму
< 6980192261178440000♠120 meV	горња граница енергије масе мировања неутрина (збир 3 укуса)^[19]
6979608827065059999♠38 meV	просечна кинетичка енергија, $.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output .sfrac.tion,.mw-parser-output .sfrac .tion{display:inline-block;vertical-align:-0.5em;font-size:85%;text-align:center}.mw-parser-output .sfrac .num,.mw-parser-output .sfrac .den{display:block;line-height:1em;margin:0 0.1em}.mw-parser-output .sfrac .den{border-top:1px solid}.mw-parser-output .sr-only{border:0;clip:rect(0,0,0,0);height:1px;margin:-1px;overflow:hidden;padding:0;position:absolute;width:1px}3/2$ $k B T$ , једног молекула гаса на собној температури
6979400544121749999♠25 meV	топлотна енергија, $k B T$ , на собној температури
6977368500592010000♠230 μeV	топлотна енергија, $k B T$ , на температури космичког микроталасног позадинског зрачења од ~2,7 келвина

Моларна енергија

Један мол честица са 1 eV енергије има приближно 96,5 kJ енергије – ово одговара Фарадевој константи (F ≈ 7004964850000000000♠96485 C⋅mol⁻¹), где је енергија у џулима од n мола честица са енергијом E eV једнака са E·F·n.

Види још

Термодинамика

Референце

^ CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
^ IUPAC Gold Book, p. 75
^ SI brochure Архивирано 2012-07-16 на сајту Wayback Machine, Sec. 4.1 Table 7
^ „Fundamental Physical Constants from NIST”.
^ „Definitions of the SI units: Non-SI units”.
^ „2018 CODATA Value: elementary charge”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Приступљено 2019-05-20.
^ „2018 CODATA Value: electron volt”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Приступљено 2019-05-20.
^ Barrow, J. D. "Natural Units Before Planck." Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 24 (1983): 24.
^ K. Hagiwara et al, Review of Particle Physics, Phys. Rev. D66, 010001 (2002)
^ Molinaro, Marco (9. 1. 2006). „“What is Light?”” (PDF). University of California, Davis. IST 8A (Shedding Light on Life) - W06. Архивирано из оригинала (PDF) 29. 11. 2007. г. Приступљено 7. 2. 2014.
^ Elert, Glenn. „Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook”. hypertextbook.com. Архивирано из оригинала 2016-07-29. г. Приступљено 2016-07-30.
^ „Definition of frequency bands on”. Vlf.it. Архивирано из оригинала 2010-04-30. г. Приступљено 2010-10-16.
^ Lochner, Jim (11. 2. 1998). „Big Bang Energy”. NASA. Help from: Kowitt, Mark; Corcoran, Mike; Garcia, Leonard. Архивирано из оригинала 19. 8. 2014. г. Приступљено 26. 12. 2016.
^ Baez, John (јул 2012). „Open Questions in Physics”. DESY. Архивирано из оригинала 11. 03. 2020. г. Приступљено 19. 7. 2012.
^ „How Many Watts Does a Light Bulb Use?”. EnergySage (на језику: енглески). Приступљено 2024-06-06.
^ „A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino”. 21. 5. 2014. Архивирано из оригинала 2015-03-19. г.
^ „Glossary”. Compact Muon Solenoid. CERN. Electronvolt (eV). Архивирано из оригинала 11. 12. 2013. г. Приступљено 18. 8. 2014.
^ ATLAS; CMS (26. 3. 2015). „Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments”. Physical Review Letters. 114 (19): 191803. Bibcode:2015PhRvL.114s1803A. PMID 26024162. arXiv:1503.07589  . doi:10.1103/PhysRevLett.114.191803  .
^ Mertens, Susanne (2016). „Direct neutrino mass experiments”. Journal of Physics: Conference Series. 718 (2): 022013. Bibcode:2016JPhCS.718b2013M. S2CID 56355240. arXiv:1605.01579  . doi:10.1088/1742-6596/718/2/022013.

Литература

E Richard Cohen; Tom Cvitas; Jeremy G Frey; Bertil Holstrom; John W Jost, ур. (2007). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (PDF). International Union of Pure and Applied Chemistry (3. изд.). Royal Society of Chemistry; 3rd edition. ISBN 0854044337.

International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. Electronic version.

Спољашње везе

[1] CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants

[2] IUPAC Gold Book, p. 75

[3] SI brochure Архивирано 2012-07-16 на сајту Wayback Machine, Sec. 4.1 Table 7

[NIST-4] „Fundamental Physical Constants from NIST”.

[5] „Definitions of the SI units: Non-SI units”.

[physconst-e-6] „2018 CODATA Value: elementary charge”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Приступљено 2019-05-20.

[physconst-eV-7] „2018 CODATA Value: electron volt”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Приступљено 2019-05-20.

[8] Barrow, J. D. "Natural Units Before Planck." Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 24 (1983): 24.

[9] K. Hagiwara et al, Review of Particle Physics, Phys. Rev. D66, 010001 (2002)

[10] Molinaro, Marco (9. 1. 2006). „“What is Light?”” (PDF). University of California, Davis. IST 8A (Shedding Light on Life) - W06. Архивирано из оригинала (PDF) 29. 11. 2007. г. Приступљено 7. 2. 2014.

[11] Elert, Glenn. „Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook”. hypertextbook.com. Архивирано из оригинала 2016-07-29. г. Приступљено 2016-07-30.

[12] „Definition of frequency bands on”. Vlf.it. Архивирано из оригинала 2010-04-30. г. Приступљено 2010-10-16.

[nasa-13] Lochner, Jim (11. 2. 1998). „Big Bang Energy”. NASA. Help from: Kowitt, Mark; Corcoran, Mike; Garcia, Leonard. Архивирано из оригинала 19. 8. 2014. г. Приступљено 26. 12. 2016.

[14] Baez, John (јул 2012). „Open Questions in Physics”. DESY. Архивирано из оригинала 11. 03. 2020. г. Приступљено 19. 7. 2012.

[15] „How Many Watts Does a Light Bulb Use?”. EnergySage (на језику: енглески). Приступљено 2024-06-06.

[16] „A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino”. 21. 5. 2014. Архивирано из оригинала 2015-03-19. г.

[17] „Glossary”. Compact Muon Solenoid. CERN. Electronvolt (eV). Архивирано из оригинала 11. 12. 2013. г. Приступљено 18. 8. 2014.

[18] ATLAS; CMS (26. 3. 2015). „Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments”. Physical Review Letters. 114 (19): 191803. Bibcode:2015PhRvL.114s1803A. PMID 26024162. arXiv:1503.07589  . doi:10.1103/PhysRevLett.114.191803  .

[Mertens-19] Mertens, Susanne (2016). „Direct neutrino mass experiments”. Journal of Physics: Conference Series. 718 (2): 022013. Bibcode:2016JPhCS.718b2013M. S2CID 56355240. arXiv:1605.01579  . doi:10.1088/1742-6596/718/2/022013.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]