Электронвольт - Electronvolt

Здесь перенаправляются мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ и ПэВ. Для использования в других целях см. MEV, KEV, GEV, TEV и PEV.

В физика, электронвольт (символ эВ, также написано электрон-вольт и электрон-вольт) - количество кинетическая энергия полученный одним электрон ускорение от отдыха через разность электрических потенциалов одного вольт в вакууме. При использовании в качестве единица энергии численное значение 1 эВ в джоули (символ J) эквивалентно числовому значению заряда электрона в кулоны (символ C). Под 2019 новое определение базовых единиц СИ, это устанавливает 1 эВ равным точному значению 1.602176634×10⁻¹⁹ Дж.^[1]

Исторически электронвольт был разработан как стандартная единица измерения из-за его полезности в электростатический ускоритель частиц науки, потому что частица с электрический заряд q имеет энергию E = qV после прохождения потенциала V; если q указывается в целых единицах элементарного заряда и потенциала в вольт, получаем энергию в эВ.

Это обычное единица энергии в физике, широко используется в твердое состояние, атомный, ядерный, и физика элементарных частиц. Обычно используется с метрические префиксы милли-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или экса- (мэВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ПэВ и ЭэВ соответственно). В некоторых старых документах и ​​в названии Беватрон используется символ BeV, обозначающий миллиард (10⁹) электронвольт; это эквивалентно ГэВ.

Измерение	Единица измерения	Значение единицы СИ
Энергия	эВ	1.602176634×10^−19 J
Масса	эВ /c^2	1.782662×10^−36 кг
Импульс	эВ /c	5.344286×10^−28 кг · м / с
Температура	эВ /kB	1.160451812×10^4 K
Время	час/ эВ	6.582119×10^−16 s
Расстояние	ħc/ эВ	1.97327×10^−7 м

Определение

Электронвольт - это количество кинетической энергии, полученной или потерянной одним электрон ускорение от отдыха через разность электрических потенциалов одного вольт в вакууме. Следовательно, он имеет значение один вольт, 1 Дж / К, умноженное на элементарный заряд е, 1.602176634×10⁻¹⁹ C.^[2] Следовательно, один электронвольт равен 1.602176634×10⁻¹⁹ J.^[3]

Электронвольт, в отличие от вольт, не является Единица 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

К эквивалентность массы и энергии, то электронвольт также является единицей масса. Это распространено в физика элементарных частиц, где единицы массы и энергии часто меняются местами, чтобы выразить массу в единицах эВ /c², куда c это скорость света в вакууме (от E = MC² ). Обычно массу просто выражают через «эВ» как единица массы, эффективно используя систему натуральные единицы с c установлен на 1.^[4] Массовый эквивалент 1 эВ /c² является

${displaystyle 1;{ ext{eV}}/c^{2}={frac {(1.602 176 634 imes 10^{-19};{ ext{C}})cdot 1;{ ext{V}}}{(2.99 792 458 imes 10^{8};{ ext{m}}/{ ext{s}})^{2}}}=1.782 661 92 imes 10^{-36};{ ext{kg}}.}$

Например, электрон и позитрон, каждая с массой 0,511 МэВ /c², может уничтожать уступить 1.022 МэВ энергии. В протон имеет массу 0,938 ГэВ /c². В общем, массы всех адроны порядка 1 ГэВ /c², что делает ГэВ (гигаэлектронвольт) удобной единицей массы для физики элементарных частиц:

1 ГэВ /c² = 1.78266192×10⁻²⁷ кг.

В единая атомная единица массы (u), почти ровно 1 грамм, разделенный на Число Авогадро, почти масса атом водорода, которая в основном является массой протона. Для преобразования в электронвольты используйте формулу:

1 u = 931,4941 МэВ /c² = 0.9314941 ГэВ /c².

Импульс

В физика высоких энергий, электронвольт часто используется как единица измерения импульс. Разность потенциалов в 1 вольт заставляет электрон набирать количество энергии (т. Е. 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: LMТ⁻¹. Размеры энергоблоков равны L²MТ⁻². Затем, разделив единицы энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, имеющую единицы скорости (LТ⁻¹), 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 единицах эВ /c.^[5][6]

Константа основной скорости c часто упавший от единиц количества движения путем определения единиц длины, чтобы значение c это единство. Например, если импульс п электрона называется 1 ГэВ, то преобразование в MKS может быть достигнуто:

${displaystyle p=1;{ ext{GeV}}/c={frac {(1 imes 10^{9})cdot (1.602 176 634 imes 10^{-19};{ ext{C}})cdot (1;{ ext{V}})}{(2.99 792 458 imes 10^{8};{ ext{m}}/{ ext{s}})}}=5.344 286 imes 10^{-19};{ ext{kg}}cdot { ext{m}}/{ ext{s}}.}$

Расстояние

В физика элементарных частиц, система «естественных единиц», в которой скорость света в вакууме c и приведенная постоянная Планка час безразмерны и равны единице. c = час = 1. В этих единицах и расстояния, и время выражаются в единицах обратной энергии (в то время как энергия и масса выражаются в тех же единицах, см. эквивалентность массы и энергии ). В частности, частица длины рассеяния часто выражаются в единицах обратной массы частиц.

Вне этой системы единиц коэффициенты преобразования электронвольт, секунды и нанометра следующие:

${displaystyle hbar ={{h} over {2pi }}=1.054 571 817 646 imes 10^{-34} {mbox{J s}}=6.582 119 569 509 imes 10^{-16} {mbox{eV s}}.}$

Приведенные выше соотношения также позволяют выразить средняя продолжительность жизни τ нестабильной частицы (в секундах) с точки зрения ее ширина распада Γ (в эВ) через Γ = час/τ. Например, B⁰ мезон имеет срок службы 1,530 (9)пикосекунды, средняя длина распада cτ = 459,7 мкм, или ширина спада (4.302±25)×10⁻⁴ эВ.

И наоборот, крошечные различия масс 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:

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

Температура

В определенных областях, например физика плазмы, для выражения температуры удобно использовать электронвольт. Электронвольт делится на Постоянная Больцмана преобразовать в Шкала Кельвина:

${displaystyle {1 over k_{ ext{B}}}={1.602 176 634 imes 10^{-19}{ ext{ J/eV}} over 1.380 649 imes 10^{-23}{ ext{ J/K}}}=11 604.518 12{ ext{ K/eV}}.}$

Где k_B это Постоянная Больцмана, K - Кельвин, J - Джоули, эВ - электронвольты.

В k_B предполагается при использовании электронвольт для выражения температуры, например, типичный термоядерный синтез с магнитным удержанием плазма 15 кэВ (килоэлектронвольт), что равно 170 МК (миллион Кельвинов).

В качестве приближения: k_BТ около 0,025 эВ (≈ 290 К/11604 К / эВ) при температуре 20 ° C.

Характеристики

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

${displaystyle E=hu ={frac {hc}{lambda }}}$ ${displaystyle ={frac {(4.135 667 516 imes 10^{-15},{mbox{eV}},{mbox{s}})(299 792 458,{mbox{m/s}})}{lambda }}}$

куда час это Постоянная Планка, c это скорость света. Это сводится к

${displaystyle E{mbox{(eV)}}=4.135 667 516,{mbox{feVs}}cdot u {mbox{(PHz)}}}$ ${displaystyle ={frac {1 239.841 93,{mbox{eV}},{mbox{nm}}}{lambda {mbox{(nm)}}}}.}$^[1]

Фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) будет иметь энергию приблизительно 2.33 эВ. По аналогии, 1 эВ соответствовал бы инфракрасному фотону с длиной волны 1240 нм или частота 241,8 ТГц.

Эксперименты по рассеянию

В экспериментах по низкоэнергетическому ядерному рассеянию энергия отдачи ядра обычно выражается в единицах эВр, кэВр и т. Д. Это отличает энергию отдачи ядра от энергии отдачи "электронного эквивалента" (эВи, кэВи и т. Д.) измеряется мерцание свет. Например, доходность фототрубка измеряется в phe / keVee (фотоэлектроны на кэВ энергию электронного эквивалента). 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. В энергия фотона изменяется только с частотой фотона, связанной постоянной скоростью света. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и масса покоя.^[7][8][9] Легенда

γ: Гамма излучение	MIR: средний инфракрасный	ВЧ: Высокая частота.
HX: жесткий Рентгеновские лучи	FIR: Дальний инфракрасный порт	MF: Средняя частота.
SX: мягкие рентгеновские лучи	Радиоволны	LF: Низкая частота.
EUV: экстремальный ультрафиолетовый	КВЧ: Чрезвычайно высокая частота.	VLF: Очень низкая частота.
NUV: Ближний ультрафиолет	СВЧ: Супер высокая частота.	VF / ULF: Голосовая частота.
Видимый свет	УВЧ: Ультра высокая частота.	SLF: Супер низкая частота.
БИК: Рядом Инфракрасный	УКВ: Очень высокая частота.	ELF: Чрезвычайно низкая частота.
		Частота: Частота

Энергия	Источник
5.25×10^32 эВ	общая энергия, выпущенная из 20kt устройство ядерного деления
1.22×10^28 эВ	то Планковская энергия
10 Y эВ (1×10^25 эВ)	приблизительный энергия великого объединения
~624 E эВ (6.24×10^20 эВ)	энергия, потребляемая одной 100-ваттной лампочкой за одну секунду (100 Вт = 100 Дж / с ≈ 6.24×10^20 эВ / с)
300 E эВ (3×10^20 эВ = ~50 J)	[10] так называемой О-мой-Бог частица (самая энергичная частица космических лучей из когда-либо наблюдавшихся)
2 ПэВ	два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, зарегистрированное Кубик льда нейтринный телескоп в Антарктиде[11]
14 ТэВ	расчетная энергия столкновения протонов с центром масс на Большой адронный коллайдер (работала при 3,5 ТэВ с момента запуска 30 марта 2010 г., достигла 13 ТэВ в мае 2015 г.)
1 ТэВ	триллион электронвольт, или 1.602×10^−7 J, о кинетической энергии летящего комар[12]
172 ГэВ	энергия покоя верхний кварк, самый тяжелый мерный элементарная частица
125,1 ± 0,2 ГэВ	энергия, соответствующая массе бозон Хиггса, измеренная двумя отдельными детекторами на LHC с уверенностью лучше, чем 5 сигма[13]
210 МэВ	средняя энергия, выделяемая при делении одного Pu-239 атом
200 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая в ядерное деление осколки деления одного U-235 атом.
105,7 МэВ	энергия покоя мюон
17,6 МэВ	средняя энергия, выделяемая в слияние из дейтерий и тритий формировать He-4; это 0,41 ПДж на килограмм произведенной продукции
2 МэВ	приблизительная средняя энергия, выделяемая в ядерное деление нейтрон вышел из одного U-235 атом.
1,9 МэВ	энергия покоя вверх кварк, кварк с наименьшей массой.
1 МэВ (1.602×10^−13 J)	примерно вдвое больше энергия отдыха электрона
От 1 до 10 кэВ	приблизительная тепловая температура, ${displaystyle k_{B}T}$, в термоядерная реакция системы, как ядро солнце, магнитно-удерживаемая плазма, инерционное удержание и ядерное оружие
13,6 эВ	энергия, необходимая для ионизировать атомарный водород; молекулярный энергии связи находятся на порядок из 1 эВ к 10 эВ за облигацию
1,6 эВ к 3,4 эВ	то энергия фотона видимого света
<2 эВ	приблизительная энергия покоя нейтрино
1,1 эВ	энергия ${displaystyle E_{g}}$ требуется, чтобы сломать ковалентный связь в кремний
720 мэВ	энергия ${displaystyle E_{g}}$ требуется, чтобы сломать ковалентный связь в германий
25 мэВ	тепловая энергия, ${displaystyle k_{B}T}$, при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет средняя кинетическая энергия 38 мэВ
230 мкэВ	тепловая энергия, ${displaystyle k_{B}T}$, из космический микроволновый фон

На моль

Один моль частиц с энергией 1 эВ имеет примерно 96,5 кДж энергии - это соответствует Постоянная Фарадея (F ≈ 96485 С моль⁻¹), где энергия в джоулях п молей частиц, каждая с энергией E эВ равно E·F·п.

Смотрите также

• По порядку величины (энергия)

Рекомендации

1. «Значение CODATA: постоянная Планка в эВ с». В архиве из оригинала 22 января 2015 г.. Получено 30 марта 2015.
2. «2018 CODATA Value: elementary charge». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
3. «2018 CODATA Value: электрон-вольт». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
4. Барроу, Дж. Д. «Естественные единицы до Планка». Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества 24 (1983): 24.
5. «Единицы в физике элементарных частиц». Набор инструментов для младшего преподавателя. Фермилаб. 22 марта 2002 г. В архиве из оригинала 14 мая 2011 г.. Получено 13 февраля 2011.
6. «Специальная теория относительности». Виртуальный центр посетителей. SLAC. 15 июня 2009 г.. Получено 13 февраля 2011.
7. Что такое свет? В архиве 5 декабря 2013 г. Wayback Machine – Калифорнийский университет в Дэвисе слайды лекций
8. Элерт, Гленн. "Электромагнитный спектр. Гипертекст по физике". hypertextbook.com. В архиве из оригинала от 29.07.2016. Получено 2016-07-30.
9. «Определение частотных диапазонов на». Vlf.it. В архиве из оригинала 30.04.2010. Получено 2010-10-16.
10. Открытые вопросы по физике. В архиве 2014-08-08 в Wayback Machine Немецкий электронный синхротрон. Исследовательский центр ассоциации Гельмгольца. Обновлено в марте 2006 г., JCB. Оригинал Джона Баэза.
11. «Растущий сигнал астрофизических нейтрино в IceCube теперь включает нейтрино с энергией 2 ПэВ». В архиве из оригинала от 19.03.2015.
12. Глоссарий В архиве 2014-09-15 на Wayback Machine - CMS Collaboration, ЦЕРН
13. АТЛАС; CMS (26 марта 2015 г.). «Комбинированное измерение массы бозона Хиггса в pp-столкновениях при √s = 7 и 8 ТэВ с экспериментами ATLAS и CMS». Письма с физическими проверками. 114 (19): 191803. arXiv:1503.07589. Bibcode:2015ПхРвЛ.114с1803А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.114.191803. PMID  26024162.

внешняя ссылка

• BIPM определение электронвольт
• ссылка на физические константы; CODATA данные