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»[1].
Основные сведения
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)⋅10−19 Кл[3], то:
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]. 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)⋅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 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 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).
| 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 | |
| Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре | |
| Энергия фотона с длиной волны 1240 нм (ближняя инфракрасная область оптического спектра) | |
| Энергия фотона с длиной волны ~500 нм (граница зелёного и голубого цветов в видимом спектре) | |
| Постоянная Ридберга (почти равна энергии ионизации атома водорода) | |
| Энергия электрона в лучевой трубке телевизора | |
| Энергии космических лучей | |
| альфа-частицы | |
| бета-частицы | |
| гамма-лучи | |
| Нейтрино[11] | |
| Электрон[11] | |
| Протон[11] | |
| Бозон Хиггса | |
| t-кварк[11] | |
Примечания
- ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
- ↑ Электронвольт — статья из Большой советской энциклопедии
- ↑ 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
- ↑ Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
- ↑ 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.
- ↑ В учебной и научно-популярной литературе массы элементарных частиц чаще выражаются в единицах СИ или в а. е. м.
- ↑ Glossary — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)
- ↑ Conversion factors for energy equivalents
- ↑ Darrow K. K. Some Contemporary Advances in Physics (англ.) // Bell System Technical Journal. — Vol. 2 (4). — P. 110.
- ↑ 1 2 3 Gamma-Ray Spectrum Catalogue
- ↑ 1 2 3 4 Единицы измерения расстояний, энергий и масс
- ↑ ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона
- ↑ Свойства топ-кварка: результаты