Электронвольт

Импульс

В физике высоких энергий электронвольт часто используется в качестве единицы количества движения . 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.

Размерности единиц импульса L M T −1 . Размеры энергоблоков L 2 M T −2 . Затем разделение единиц энергии (например, эВ) на фундаментальную константу, которая имеет единицы скорости ( L T -1 ), облегчает необходимое преобразование использования единиц энергии для описания количества движения. 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 .

Константа основной скорости c часто исключается из единиц количества движения путем определения единиц длины, так что значение c равно единице. Например, если сказать , что импульс p электрона равен1 ГэВ , то преобразование в МКС может быть достигнуто:

пзнак равно1ГэВcзнак равно(1×109)⋅(1,602 176 634×10-19C)⋅(1V)(2,99 792 458×108мs)знак равно5,344 286×10-19кг⋅мs.{\ displaystyle p = 1 \; {\ text {GeV}} / c = {\ frac {(1 \ times 10 ^ {9}) \ cdot (1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} \; {\ text {C}}) \ cdot (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}}.}

Сравнение энергии

Частота фотона в зависимости от энергии частицы в электронвольтах . Энергия фотона изменяется только с частотой фотона, связанной с скоростью света постоянная. Это контрастирует с массивной частицей, энергия которой зависит от ее скорости и массы покоя . Легенда

γ: гамма-лучи MIR: средний инфракрасный HF: Высокая частота.
HX: Жесткие рентгеновские лучи FIR: Дальний инфракрасный порт MF: Средняя частота.
SX: мягкие рентгеновские лучи Радиоволны LF: низкая частота.
EUV: экстремальный ультрафиолет EHF: Чрезвычайно высокая частота. VLF: очень низкая частота.
NUV: ближний ультрафиолет SHF: сверхвысокая частота. VF / ULF: голосовая частота.
Видимый свет UHF: сверхвысокая частота. SLF: сверхнизкая частота.
NIR: ближний инфракрасный VHF: очень высокая частота. ELF: Чрезвычайно низкая частота.
Freq: частота
Энергия Источник
5,25 × 10 32  эВ полная энергия, выделяемая от устройства ядерного деления
мощностью 20  кт
1,22 × 10 28  эВ энергия Планка
10 Y эВ (1 × 10 25  эВ ) приблизительная 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  Дж ) так называемая частица Oh-My-God (самая энергичная частица космических лучей из когда-либо наблюдавшихся)
2 ПэВ два петаэлектронвольта, самое высокоэнергетическое нейтрино, обнаруженное нейтринным телескопом IceCube в Антарктиде
14 ТэВ расчетная энергия столкновения протонов с центром масс на Большом адронном коллайдере (работающем при 3,5 ТэВ с момента запуска 30 марта 2010 г., достигнув 13 ТэВ в мае 2015 г.)
1 ТэВ триллион электронвольт, или 1.602 × 10 −7  Дж , примерно кинетическая энергия летающего комара
172 ГэВ энергия покоя топ-кварка , самой тяжелой измеренной элементарной частицы
125,1 ± 0,2 ГэВ энергия, соответствующая массе бозона Хиггса , измеренная двумя отдельными детекторами на LHC с точностью лучше, чем 5 сигма
210 МэВ средняя энергия, выделяемая при делении одного атома
Pu-239
200 МэВ приблизительная средняя энергия, выделяемая при ядерном делении осколками деления одного атома U-235 .
105,7 МэВ энергия покоя мюона
17,6 МэВ средняя энергия , выделяемая в слиянии с дейтерием и тритием с образованием He-4 ; это0,41 ПДж на килограмм произведенной продукции
2 МэВ приблизительная средняя энергия, выделяемая в нейтроне ядерного деления, выделяемом одним атомом U-235 .
1,9 МэВ энергия покоя ап-кварка , кварка с наименьшей массой.
1 МэВ (1,602 × 10 −13  Дж ) примерно вдвое больше энергии покоя электрона
От 1 до 10 кэВ приблизительная тепловая температура, в системах ядерного синтеза , таких как ядро Солнца , магнитно-удерживаемая плазма , инерционное удержание и ядерное оружиеkBТ{\ displaystyle k_ {B} T}
13,6 эВ энергия, необходимая для ионизации атомарного водорода ; молекулярная энергия связи находится на порядок изОт 1 эВ до10 эВ на облигацию
1,6 эВ до3,4 эВ энергия фотона видимого света
<2 эВ приблизительная энергия покоя нейтрино
1,1 эВ энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в кремнииEграмм{\ displaystyle E_ {g}}
720 мэВ энергия, необходимая для разрыва ковалентной связи в германииEграмм{\ displaystyle E_ {g}}
25 мэВ Тепловая энергия , при комнатной температуре; одна молекула воздуха имеет среднюю кинетическую энергиюkBТ{\ displaystyle k_ {B} T} 38 мэВ
230 мкэВ Тепловая энергия, , из космического микроволнового фонаkBТ{\ displaystyle k_ {B} T}

На моль

Один моль частиц с энергией 1 эВ имеет энергию примерно 96,5 кДж — это соответствует постоянной Фарадея ( F ≈96 485  Кл моль -1 ), где энергия в джоулях n моль частиц, каждая с энергией E эВ, равна E · F · n .

Расстояние

В физике элементарных частиц , система «естественных единиц» , в которой скорость света в вакууме с , и приведенная постоянная Планка ħ безразмерные и равным единице широко используется: с = ħ = 1 . В этих единицах и расстояния, и время выражаются в единицах обратной 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 преобразования электронвольт, секунды и нанометра следующие:

ℏзнак равночас2πзнак равно1.054 571 817 646×10-34 J sзнак равно6,582 119 569 509×10-16 эВ с.{\ displaystyle \ hbar = {{h} \ over {2 \ pi}} = 1.054 \ 571 \ 817 \ 646 \ times 10 ^ {- 34} \ {\ mbox {J s}} = 6.582 \ 119 \ 569 \ 509 \ times 10 ^ {- 16} \ {\ mbox {эВ с}}.}

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, мезон B имеет время жизни 1,530 (9)  пикосекунд , средняя длина распада =459,7 мкм , или ширина распада(4.302 ± 25) × 10 −4  эВ .

И наоборот, крошечные разности масс мезонов, ответственные за колебания мезонов , часто выражаются в более удобных обратных пикосекундах.

Энергия в электронвольтах иногда выражается через длину волны света с фотонами той же энергии:

1эВчасcзнак равно(1,602 176 634×10-19J)(2,99 792 458×1010смs)⋅(6,62 607 015×10-34J⋅s)≈8065.5439см-1.{\ 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}}) \ cdot (6,62 \ 607 \ 015 \ times 10 ^ {- 34} \; {\ text {J}} \ cdot {\ text {s}})}} \ Thickapprox 8065.5439 \; {\ text {cm}} ^ {- 1}.}

Температура

В определенных областях, таких как физика плазмы , удобно использовать электронвольт для выражения температуры. Электронвольт делится на постоянную Больцмана для преобразования в шкалу Кельвина :

1kBзнак равно1,602 176 634×10-19 Дж / эВ1,380 649×10-23 Дж / Кзнак равно11 604,518 12 К / эВ.{\ displaystyle {1 \ over k _ {\ text {B}}} = {1.602 \ 176 \ 634 \ times 10 ^ {- 19} {\ text {J / eV}} \ over 1.380 \ 649 \ times 10 ^ { -23} {\ text {J / K}}} = 11 \ 604.518 \ 12 {\ text {K / эВ}}.}

Где k B — постоянная Больцмана , K — Кельвин, J — Джоули, eV — электронвольты.

При использовании электронвольт для выражения температуры предполагается k B , например, типичная термоядерная плазма с магнитным удержанием имеет вид15 кэВ ( килоэлектронвольт ), что равно 170 МК (миллион Кельвинов).

В качестве приближения: k B T составляет около0,025 эВ (≈290 К11604 К / эВ) при температуре 20 ° С .

Основные сведения

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия Е, но и масса m элементарных частиц. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение m = E/c2, где c — скорость света, E — энергия покоящейся частицы. Поскольку c — фундаментальная постоянная, равная 299 792 458 м/с (точно), не изменяющаяся ни при каких условиях, то указание в качестве характеристики массы частицы её энергии покоя, выраженной в электронвольтах, однозначно определяет значение массы в любых традиционных единицах и к недоразумениям не приводит. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 921…⋅10−36кг (точно), и напротив, 1 кг = 5,609 588 603…⋅1035 эВ (точно). Атомная единица массы близка по значению к 1 ГэВ (с погрешностью около 7 %): 1 а. е. м. = 931,494 102 42(28) МэВ, и напротив, 1 ГэВ = 1,073 544 102 33(32) а. е. м.. Импульс элементарной частицы также может быть выражен в электронвольтах (строго говоря, в эВ/c).

Электронвольт по сравнению с энергиями, характерными для большинства ядерных процессов, — маленькая величина, в этой области физики обычно применяются кратные единицы:

  • килоэлектронвольт (кэВ) — 1000 эВ,
  • мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 млн электронвольт,
  • гигаэлектронвольт (ГэВ) — 1 млрд электронвольт,
  • тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт.

Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в 1 мм (массой ок. 0,5 мг) с высоты 3 см.

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе Eкин = 32. В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,518 12… кельвин (точно) (см. постоянная Больцмана).

В электронвольтах выражают энергию квантов электромагнитного излучения (фотонов). Энергия фотонов с частотой ν в электронвольтах численно равна hν/EэВ, а излучения с длиной волны λ — hc/(λEэВ), где h — постоянная Планка, а EэВ — энергия, равная одному электронвольту, выраженная в единицах той же системы единиц, что и использованная для выражения h, ν и λ. Так как для ультрарелятивистских частиц, в том числе фотонов, λE = hc, то при вычислении энергии фотонов с известной длиной волны (и наоборот) часто полезен коэффициент пересчёта, представляющий собой выраженное в эВ·нм произведение постоянной Планка и скорости света:

hc = 1239,841 984… эВ·нм (точно) ≈ 1240 эВ·нм.

Так, фотон с длиной волны 1 нм имеет энергию 1240 эВ; фотон с энергией 10 эВ имеет длину волны 124 нм и т. д.

В электронвольтах измеряется также работа выхода при внешнем фотоэффекте — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света.

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов или однозарядных ионов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию Q = 96 485,332 12… Дж (точно), равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина, выраженная в джоулях, численно равна постоянной Фарадея (модулю заряда 1 моля электронов), выраженной в кулонах. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия 96,485 кДж, то соответственно каждая молекула теряет (или получает) около 1 эВ.

В электронвольтах измеряется также ширина распада Γ элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния τ соотношением неопределённостей: Γ = ħ/τ). Частица с шириной распада 1 эВ имеет время жизни 6,582 119 569…⋅10−16 с (точно). Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 6,582 119 569…⋅10−16 эВ (точно).

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер Карл Дарроу в 1923 году.

Определение

Электронвольт — это количество кинетической энергии, полученной или потерянной одним электроном, ускоряющимся из состояния покоя через разность электрических потенциалов в один вольт в вакууме. Следовательно, он имеет значение один вольт ,1 Дж / Кл , умноженное на элементарный заряд электрона e ,1,602 176 634 × 10 -19  С . Следовательно, один электронвольт равен1.602 176 634 × 10 −19  Дж .

Электронвольт, в отличие от вольта, не является единицей 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).

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий