Электронвольт

Электро́нво́льт (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».

Основные сведения

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. 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)⋅10⁻¹⁹ Кл, то:

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

В физике элементарных частиц в электронвольтах (и производных единицах) обычно выражается не только энергия, но и масса элементарных частиц, исходя из эквивалентности массы и энергии Е = mc² (или m = E/c²), где c — скорость света. Поэтому массу частиц корректнее выражать в эВ/c², но делитель c², там, где не может возникнуть двусмысленности, обычно опускают. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 907(11)⋅10⁻³⁶ кг, и напротив, 1 кг = 5,609 588 650(34)⋅10³⁵ эВ. 1 а. е. м. = 931,494 0954(57) МэВ. 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.

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе E_кин=3⁄2kТ. В температурных единицах 1 эВ соответствует 1,160 452 21(67)⋅10⁴ кельвин (см. постоянная Больцмана).

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию Q = 96 485,332 89(59) Дж, 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. 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.

Кратные и дольные единицы

В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются производные 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 — 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 ионизации атома водорода	13,6 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
бета-частицы и гамма-лучи	0-20 МэВ
Массы частиц
Нейтрино	0,2 - 2 эВ
Электрон	0,510 998 9461(31) МэВ
Протон	938,272 0813(58) МэВ
Бозон Хиггса	125,09 ± 0,24 ГэВ
Планковская масса
$M_{P}={\sqrt {\frac {\hbar c}{G}}}$	1,220 910(29)⋅1019 ГэВ

Ссылки

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