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)Шаблон:E J.

У физици, електронволт (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}-. 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. Као елементарни набој на којем је заснован, он није независног квантитета него је једнак 1 J/-{C}- √2-{h}-α / μ₀-{c}-₀. 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/kB}-	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, Шаблон:Val, помноженог са елементарним наелектрисањем електрона -{e}-, Шаблон:Physconst Према томе, један електронволт је једнак Шаблон:Physconst

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, електронволта 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 [[Mass–energy equivalence|Шаблон:Nowrap]]). Уобичајено је да се маса једноставно изражава у виду „-{eV}-” као јединицом масе, ефикасно користећи систем природних јединица са -{c}- подешеним на 1. Еквивалент масе од Шаблон:Val је

$1\text{eV}/c^2=\frac{(1.602176634\times 10^{-19}\text{C})\cdot 1\text{V}}{(2.99792458\times 10^8\text{m}/\text{s}{)}^2}=1.78266192\times 10^{-36}\text{kg}.$

На пример, електрон и позитрон, сваки са масом од Шаблон:Val, могу да се униште дајући Шаблон:Val енергије. Маса протона је Шаблон:Val. Генерално, масе свих хадрона су реда Шаблон:Val, што -{GeV}- (гигаелектронволт) чини погодном јединицом масе за физику честица:

Шаблон:Val = Шаблон:Val.

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 = Шаблон:Val = Шаблон:Val.

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 = 1,783Шаблон:E kg

1 keV/c² = 1,783Шаблон:E kg

1 MeV/c² = 1,783Шаблон:E kg

1 GeV/c² = 1,783Шаблон:E kg

1 TeV/c² = 1,783Шаблон:E kg

1 PeV/c² = 1,783Шаблон:E kg

1 EeV/c² = 1,783Шаблон:E kg

Електронволт и енергија

За поређење:

• 3,2Шаблон:E Ј или 200 -{MeV}- је тотална енергија ослобођена цепањем једног атома U-235 (ово је средња вредност; права вредност зависи од начина цепања)
• 3,5Шаблон:E 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 собној температури је око 1 Шаблон:E J или 1/40 eV.
• Израз $1eV=1V\times q_e$ показује зашто је eV основна јединица за енергију пошто $V\stackrel{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{f}}{=}\frac{W}{q_0}$ или еквивалентно $V\stackrel{\mathrm{d}\mathrm{e}\mathrm{f}}{=}\frac{\mathrm{△}E}{q_0}$ чиме се уклања погрешно веровање да је eV јединица за потенцијал или наелектрисање.

Електронволт и особине фотона

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

$E=h\nu =\frac{hc}{\lambda }=\frac{1240\mathrm{n}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{V}}{\lambda }$

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

$E_{min}=\frac{1240\mathrm{n}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{V}}{700\mathrm{n}\mathrm{m}}=1,77\mathrm{e}\mathrm{V}$

до

$E_{max}=\frac{1240\mathrm{n}\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{V}}{400\mathrm{n}\mathrm{m}}=3,10\mathrm{e}\mathrm{V}$.

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

$\frac{1\text{ eV}}{k_B}=\frac{1,60217653(14)\times 10^{-19}\text{J}}{1,3806505(24)\times 10^{-23}\text{J/K}}=11604,505(20)\text{ kelvins}$

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

• $\hslash$ = 6,582 118 89(26) x 10^-16 eV s
• $\hslash c$ = 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: Шаблон:Nowrap. 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: $$\hslash =1.054571817646\times 10^{-34}\mathrm{J}\mathrm{\cdot }\mathrm{s}=6.582119569509\times 10^{-16}\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{\cdot }\mathrm{s}.$$

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 Шаблон:Nowrap. На пример, [[B meson|Шаблон:Subatomic particle мезон]] има животни век од 1,530(9) пикосекунди, средња дужина распада је Шаблон:Nowrap, или ширина распада од Шаблон:Val.

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:

$$\frac{1\text{eV}}{hc}=\frac{1.602176634\times 10^{-19}\text{J}}{(2.99792458\times 10^{10}\text{cm}/\text{s})\times (6.62607015\times 10^{-34}\text{J}\cdot \text{s})}\approx 8065.5439{\text{cm}}^{-1}.$$

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 $$E=h\nu =\frac{hc}{\lambda }=\frac{\mathrm{4}\mathrm{.}\mathrm{1}\mathrm{3}\mathrm{5}\mathrm{6}\mathrm{6}\mathrm{7}\mathrm{6}\mathrm{9}\mathrm{6}\mathrm{\times }\mathrm{1}{\mathrm{0}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}\mathrm{5}}\mathrm{e}\mathrm{V}/\mathrm{H}\mathrm{z}\times \mathrm{2}\mathrm{9}\mathrm{9}\mathrm{7}\mathrm{9}\mathrm{2}\mathrm{4}\mathrm{5}\mathrm{8}\mathrm{m}/\mathrm{s}}{\lambda }$$

где је h Планкова константа, c је брзина светлости. Ово се своди на Шаблон:Physconst $$\begin{array}{cc}E& =4.135667696\times 10^{-15}\mathrm{e}\mathrm{V}/\mathrm{H}\mathrm{z}\times \nu \\ & =\frac{1239.84198\mathrm{e}\mathrm{V}\mathrm{\cdot }\mathrm{n}\mathrm{m}}{\lambda }.\end{array}$$

Фотон са таласном дужином од Шаблон:Val (зелено светло) имао би енергију од приближно Шаблон:Val. Слично, Шаблон:Val би одговарао инфрацрвеном фотону таласне дужине Шаблон:Val или фреквенције Шаблон:Val.

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.
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
Шаблон:Val	маса-енергија све обичне материје у видљивом универзуму
Шаблон:Val	енергија ослобођена од експлозије 20 килотонског ТНТ еквивалента (нпр. принос нуклеарног оружја фисионе бомбе Дебељко)
Шаблон:Val	Планкова енергија
Шаблон:Val	приближна енергија великог уједињења
Шаблон:Val	прва примећена честица космичког зрака ултра-високе енергије, такозвана честица Ох-Боже
Шаблон:Val	енергија коју троши уређај од 10 вати (нпр. типична ЛЕД сијалица) у једној секунди (Шаблон:Val = Шаблон:Val ≈ Шаблон:Val)
Шаблон:Val	неутрино највеће енергије који је откривен неутрино телескопом Ајскјуб на Антарктику
Шаблон:Val	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.)
Шаблон:Val	Шаблон:Val, око кинетичке енергије летећег комарца
Шаблон:Val	енергија масе мировања горњег кварка, најтеже елементарне честице за коју је ово одређено
Шаблон:Val	енергија масе мировања Хигсовог бозона, мерена са два одвојена детектора на LHC-у са сигурношћу бољом од 5 сигма
Шаблон:Val	просечна енергија ослобођена при фисији једног атома Pu-239
Шаблон:Val	приближна просечна енергија ослобођена при нуклеарној фисији једног атома U-235.
Шаблон:Val	енергија масе мировања миона
Шаблон:Val	просечна енергија ослобођена у нуклеарној фузији деутеријума и трицијума да би се формирао He-4; ово је Шаблон:Val по килограму произведеног производа
Шаблон:Val	приближна просечна енергија ослобођена у нуклеарној фисији неутрона ослобођеног из једног атома U-235.
Шаблон:Val	Енергија масе мировања горњег кварка, кварка најниже масе.
Шаблон:Val	Шаблон:Val, око двоструке енергије масе мировања електрона
Шаблон:Val	приближна топлотна енергија, [[kT (energy)|Шаблон:Math]], у системима нуклеарне фузије, као што је језгро сунца, магнетно затворене плазме, инерцијално ограничење и нуклеарно оружје
Шаблон:Val	енергија потребна за јонизацију атомског водоника; енергије молекуларне везе су реда величине од Шаблон:Val до Шаблон:Val по вези
Шаблон:Val	опсег енергије фотона $(\frac{hc}{\lambda })$ видљивог спектра од црвене до љубичасте
Шаблон:Val	енергија $E_g$ потребна за прекид ковалентне везе у силицијуму
Шаблон:Val	енергија $E_g$ потребна за прекид ковалентне везе у германијуму
< Шаблон:Val	горња граница енергије масе мировања неутрина (збир 3 укуса)
Шаблон:Val	просечна кинетичка енергија, Шаблон:Math[[kT (energy)|Шаблон:Math]], једног молекула гаса на собној температури
Шаблон:Val	топлотна енергија, [[kT (energy)|Шаблон:Math]], на собној температури
Шаблон:Val	топлотна енергија, [[kT (energy)|Шаблон:Math]], 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 Фарадејевој константи (F ≈ Шаблон:Val), где је енергија у џулима од n мола честица са енергијом E eV једнака са E·F·n.

Види још

• Термодинамика

Литература

• Шаблон:GreenBook3rd
• Шаблон:GreenBook2nd

Спољашње везе

• -{BIPM's definition of the electronvolt}-
• -{physical constants reference; CODATA data}-