Электронвольт

• Разделы:
  • Основные сведения
  • Кратные и дольные единицы
  • Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах
  • Примечания
  • Ссылки

Электро́нво́льт (электрон-вольт, редко электроновольт; русское обозначение: эВ, международное: eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки (биофизике, физической химии, астрофизике и т. п.).В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «физика»[1].

Определение

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В[2]. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а элементарный заряд частиц, например, электрона составляет −1,602 176 6208(98)⋅10−19Кл[3], то:

1 эВ = 1,602 176 6208(98)⋅10−19Дж = 1,602 176 6208(98)⋅10−12эрг.

Основные сведения

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия Е, но и масса m элементарных частиц[4][5][6]. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение Е = mc2, где c — скорость света. Поскольку c — фундаментальная постоянная, не изменяющаяся ни при каких условиях, то указание в качестве характеристики массы частицы её энергии, выраженной в электронвольтах, однозначно определяет значение массы в любых традиционных единицах и к недоразумениям не приводит. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 907(11)⋅10−36кг[3], и напротив, 1 кг = 5,609 588 650(34)⋅1035 эВ[3]. 1 а. е. м. = 931,494 0954(57) МэВ[3]. 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[7].

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 = 3⁄2kТ[5]. В температурных единицах 1 эВ соответствует 1,160 452 21(67)⋅104кельвин[3] (см. постоянная Больцмана)[8].

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 9739(76) эВ·нм[3] ≈ 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 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 89(59) Дж[3], равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина численно равна постоянной Фарадея. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия 96,5 кДж, то соответстве
нно 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 6,582 119 514(40)⋅10−16 с[3]. Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 6,582 119 514(40)⋅10−16 эВ.

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский инженер K. K. Darrow в 1923 году[9].

Кратные и дольные единицы

В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются кратные единицы: килоэлектронвольты (кэВ, keV, 103 эВ), мегаэлектронвольты (МэВ, MeV, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, GeV, 109 эВ) и тераэлектронвольты (ТэВ, TeV, 1012 эВ). В физике космических лучей, кроме того, используются петаэлектронвольты (ПэВ, PeV, 1015 эВ) и эксаэлектронвольты (ЭэВ, EeV, 1018 эВ). В зонной теории твердого тела, физике полупроводников и физике нейтрино — дольные единицы: миллиэлектронвольты (мэВ, meV, 10−3 эВ).

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах

Энергия кванта электромагнитного излучения с частотой 1 ТГц	4,13 мэВ
Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре	0,025 эВ
Энергия фотона с длиной волны 1240 нм (ближняя инфракрасная область оптического спектра)	1,0 эВ
Энергия фотона с длиной волны ~500 нм (граница зелёного и голубого цветов в видимом спектре)	~2,5 эВ
Энергия образования одной молекулы воды из водорода и кислорода[10]	3,0 эВ
Постоянная Ридберга (почти равна энергии ионизации атома водорода)	13,605 693 009(84) эВ
Энергия электрона в лучевой трубке телевизора	Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей	1 МэВ — 1⋅1021 эВ
Типичная энергия ядерного распада
альфа-частицы	2—10 МэВ [11]
бета-частицы	0,1—6 МэВ [11]
гамма-лучи	0—5 МэВ [11]
Массы частиц
Нейтрино[12]	Сумма масс всех трёх ароматов < 0,28 эВ
Электрон[12]	0,510 998 9461(31) МэВ[3]
Протон[12]	938,272 0813(58) МэВ[3]
Бозон Хиггса	125,09 ± 0,24 ГэВ[13]
t-кварк[12]	173,315 ± 0,485 ± 1,23 ГэВ[14]
Планковская масса
MP=ℏcG{displaystyle M_{P}={sqrt {frac {hbar c}{G}}}}	1,220 910(29)⋅1019 ГэВ[3]

Примечания

1. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
2. ↑ Электронвольт — статья из Большой советской энциклопедии
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
4. ↑ Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
5. ↑ 1 2 Электронвольт // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 545. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
6. ↑ В учебной и научно-популярной литературе массы элементарных частиц чаще выражаются в единицах СИ или в а. е. м.
7. ↑ Glossary — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)
8. ↑ Conversion factors for energy equivalents
9. ↑ Darrow K. K. Some Contemporary Advances in Physics (англ.) // Bell System Technical Journal. — Vol. 2 (4). — P. 110.
10. ↑ Равна стандартной энтальпии образования воды в джоулях на моль, деленной на постоянную Авогадро и деленной на модуль заряда электрона в кулонах
11. ↑ 1 2 3 Gamma-Ray Spectrum Catalogue
12. ↑ 1 2 3 4 Единицы измерения расстояний, энергий и масс
13. ↑ ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона
14. ↑ Свойства топ-кварка: результаты

Ссылки

• CODATA: Fundamental Physical Constants — Complete Listing
• Онлайн конвертор единиц электронвольт в другие системы счислений