Электронвольт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая InternetArchiveBot (обсуждение | вклад) в 20:52, 3 января 2020 (Спасено источников — 1, отмечено мёртвыми — 0. Сообщить об ошибке. См. FAQ.) #IABot (v2.0). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Отпатрулированная версия этой страницы, проверенная 3 января 2020, была основана на этой версии.
Электронвольт
эВ, eV
Величина энергия
Система внесистемная
Тип производная

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 составляет 1,602 176 6208(98)⋅10−19 Кл[3], то:

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

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)⋅10−36 кг[3], и напротив, 1 кг = 5,609 588 650(34)⋅1035 эВ[3]. Атомная единица массы близка по значению к 1 ГэВ (с точностью около 7 %): 1 а. е. м. = 931,494 0954(57) МэВ, и напротив, 1 ГэВ = 1,073 544 1105(66) а. е. м.[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)⋅104 кельвин[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 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 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 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 6,582 119 514(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 физик и инженер Карл Дарроу[англ.] 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).

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
101 эВ декаэлектронвольт даэВ daeV 10−1 эВ дециэлектронвольт дэВ deV
102 эВ гектоэлектронвольт гэВ heV 10−2 эВ сантиэлектронвольт сэВ ceV
103 эВ килоэлектронвольт кэВ keV 10−3 эВ миллиэлектронвольт мэВ meV
106 эВ мегаэлектронвольт МэВ MeV 10−6 эВ микроэлектронвольт мкэВ µeV
109 эВ гигаэлектронвольт ГэВ GeV 10−9 эВ наноэлектронвольт нэВ neV
1012 эВ тераэлектронвольт ТэВ TeV 10−12 эВ пикоэлектронвольт пэВ peV
1015 эВ петаэлектронвольт ПэВ PeV 10−15 эВ фемтоэлектронвольт фэВ feV
1018 эВ эксаэлектронвольт ЭэВ EeV 10−18 эВ аттоэлектронвольт аэВ aeV
1021 эВ зеттаэлектронвольт ЗэВ ZeV 10−21 эВ зептоэлектронвольт зэВ zeV
1024 эВ йоттаэлектронвольт ИэВ YeV 10−24 эВ иоктоэлектронвольт иэВ yeV
1027 эВ роннаэлектронвольт РнэВ ReV 10−27 эВ ронтоэлектронвольт рнэВ reV
1030 эВ кветтаэлектронвольт КвэВ QeV 10−30 эВ квектоэлектронвольт квэВ qeV
 рекомендовано к применению  применять не рекомендуется

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
1,220 910(29)⋅1019 ГэВ[3]

Примечания

  1. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
  2. ↑ Электронвольт // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  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. Архивировано 12 октября 2014 года.
  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. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года.
  14. ↑ Свойства топ-кварка: результаты

Ссылки

Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Электронвольт&oldid=104344487