Elektronvolt

Elektrovolt ( elektronvolt , zřídka elektronvolt ; ruské označení: eV, mezinárodní: eV) je mimosystémová jednotka energie používaná v atomové a jaderné fyzice , ve fyzice elementárních částic a v blízkých a příbuzných oborech vědy ( biofyzika , fyzikální chemie , astrofyzika , atd... P.). V Ruské federaci je elektronvolt schválen pro použití jako mimosystémová jednotka bez časového omezení s rozsahem " fyziky " [1] .

Definice

Jeden elektronvolt se rovná energii potřebné k přenosu elementárního náboje v elektrostatickém poli mezi body s rozdílem potenciálu 1 V [ 2 ] . Protože práce při přenosu náboje q je rovna qU (kde U  je rozdíl potenciálů) a elementární náboj je 1,602 176 634⋅10 −19 C (přesně) [3] , pak

Základní informace

Ve fyzice elementárních částic se v elektronvoltech obvykle vyjadřuje nejen energie E , ale také hmotnost m elementárních částic [4] [5] . Důvodem je skutečnost, že díky ekvivalenci hmotnosti a energie je splněn vztah m = E 0 / c 2 , kde c  je rychlost světla , E 0 je energie částice v klidu. Protože c  je základní konstanta rovna 299 792 458 m/s (přesně), která se za žádných podmínek nemění, pak uvedení její klidové energie vyjádřené v elektronvoltech jako charakteristika hmotnosti částice jednoznačně určuje hodnotu hmotnosti v žádných tradičních jednotkách a k nedorozuměním nevede. V jednotkách hmotnosti 1 eV = 1,782 661 921...⋅10 −36 kg (přesně) [3] , a naopak 1 kg = 5,609 588 603...⋅10 35 eV (přesně) [3] . Jednotka atomové hmotnosti se blíží hodnotě 1 GeV (s chybou asi 7 %): 1 a. e.m. _ _ _ e . m. [3] . Hybnost elementární částice lze vyjádřit také v elektronvoltech (přesně řečeno v eV/ c ).

Elektronvolt je malá hodnota ve srovnání s energiemi charakteristickými pro většinu jaderných procesů; v této oblasti fyziky se obvykle používá více jednotek:

• kiloelektronvolt (keV) - 1000 eV,
• megaelektronvolt (MeV) - 1 milion elektronvoltů,
• gigaelektronvolt (GeV) - 1 miliarda elektronvoltů,
• teraelektronvolt (TeV) - 1 bilion elektronvoltů.

Nejnovější generace urychlovačů částic umožňuje dosáhnout několika bilionů elektronvoltů (tera elektronvoltů, TeV). Jeden TeV se přibližně rovná (kinetické) energii létajícího komára [6] nebo energii uvolněné při pádu malé kapky vody o průměru 1 mm (hmotnost cca 0,5 mg ) z výšky 3 cm .

Teplota , která je měřítkem průměrné kinetické energie částic, se také někdy vyjadřuje v elektronvoltech na základě poměru teploty a energie částic v monatomickém ideálním plynu E kin = 3 ⁄ 2 kT [5] . V jednotkách teploty odpovídá 1 eV 11 604,518 12... kelvinům ( přesně) [3] (viz Boltzmannova konstanta ) [7] .

Elektronvolty vyjadřují energii kvant elektromagnetického záření ( fotonů ). Energie fotonů s frekvencí ν v elektronvoltech je číselně rovna h ν/ E eV a záření o vlnové délce λ  je hc /(λ E eV ) , kde h  je Planckova konstanta a E eV  je energie rovna na jeden elektronvolt, vyjádřený v jednotkách stejného systému jednotek, jaký se používá k vyjádření h , ν a λ . Protože pro ultrarelativistické částice, včetně fotonů, λ E \u003d hc , je při výpočtu energie fotonů se známou vlnovou délkou (a naopak) často užitečný konverzní faktor, který je součinem Planckovy konstanty a rychlosti světlo vyjádřené v eV nm :

Foton o vlnové délce 1 nm má tedy energii 1240 eV; foton s energií 10 eV má vlnovou délku 124 nm a tak dále.

Pracovní funkce vnějšího fotoelektrického jevu se také měří v elektronvoltech  - minimální energie potřebná k odstranění elektronu z látky pod vlivem světla .

V chemii se často používá molární ekvivalent elektronvoltu. Přenese -li se jeden mol elektronů nebo jednotlivě nabitých iontů mezi body s rozdílem potenciálů 1 V , získá (nebo ztratí) energii Q = 96 485,332 12... J (přesně) [3] , rovná se součinu 1 eV a Avogadrovo číslo . Tato hodnota, vyjádřená v joulech, se číselně rovná Faradayově konstantě (modul náboje 1 molu elektronů), vyjádřené v přívěscích. Podobně, pokud se během chemické reakce v jednom molu látky uvolní (nebo absorbuje) energie 96,485 kJ , pak každá molekula ztratí (nebo získá) asi 1 eV .

Šířka rozpadu Γ elementárních částic a dalších kvantově-mechanických stavů, jako jsou hladiny jaderné energie, se také měří v elektronvoltech . Šířka rozpadu je nejistota stavové energie vztahující se k době trvání stavu τ vztahem nejistoty : Γ = ħ / τ ). Částice s šířkou rozpadu 1 eV má životnost 6,582 119 569...⋅10 −16 s (přesně) [3] . Podobně kvantově mechanický stav s dobou života 1 s má šířku 6,582 119 569...⋅10 −16 eV (přesně) [3] .

Jedním z prvních, kdo použil termín „elektronvolt“, byl americký fyzik a inženýr Karl Darrow v roce 1923 [8] .

Násobky a dílčí násobky

V jaderné fyzice a fyzice vysokých energií se běžně používá více jednotek: kiloelektronvolty (keV, keV, 10 3 eV), megaelektronvolty (MeV, MeV, 10 6 eV), gigaelektronvolty (GeV, GeV, 10 9 eV) a tera elektronvolty ( TeV, TeV, 1012 eV ). Ve fyzice kosmického záření se navíc používají peta-elektronvolty (PeV, PeV, 10 15 eV) a exa-elektronvolty (EeV, EeV, 10 18 eV). V pásové teorii pevných látek, fyzice polovodičů a fyzice neutrin  - dílčí jednotky: milielektronvolty (meV, meV, 10 −3 eV).

Některé hodnoty energií a hmotností v elektronvoltech

Energie kvanta elektromagnetického záření o frekvenci 1 THz	4,13 meV
Tepelná energie translačního pohybu jedné molekuly při pokojové teplotě	≈0,025 eV
Fotonová energie o vlnové délce 1240 nm (blízká infračervená oblast optického spektra)	1,0 eV
Energie fotonu o vlnové délce 500 nm (hranice zelené a modré barvy ve viditelném spektru)	≈2,5 eV
Energie vzniku jedné molekuly vody z vodíku a kyslíku [9]	3,0 eV
Rydbergova konstanta (téměř stejná jako ionizační energie atomu vodíku )	13 605 693 122 994(26) eV [3]
Energie elektronu v paprskové trubici televizoru	Asi 20 keV
energie kosmického záření	1 MeV — 1⋅10 21 eV
Typická energie částic - produkty jaderného rozpadu
částice alfa	2–10 MeV [10]
beta částice	0–6 MeV [10]
gama kvanta	0,01–5 MeV [10]
Hmotnosti částic
Neutrino [11]	Součet hmotností všech tří příchutí < 0,12 eV [12]
elektron [11]	0,510 998 950 00(15) MeV [3]
Proton [11]	938,272 088 16(29) MeV [3]
Higgsův boson	125,09 ± 0,24 GeV [13]
t-quark (nejtěžší známá elementární částice) [11]	173,315 ± 0,485 ± 1,23 GeV [14]
Planckova hmota
	1,220 890(14)⋅10 19 GeV [3]

Poznámky

1. ↑ Předpisy o jednotkách množství povolených pro použití v Ruské federaci. Archivní kopie ze dne 2. listopadu 2013 na stroji Wayback Schváleno nařízením vlády Ruské federace ze dne 31. října 2009 č. 879.
2. ↑ Electronvolt // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Základní fyzikální konstanty – kompletní seznam
4. ↑ Populárně vědecká zpráva v prezidiu Ruské akademie věd L. B. Okuna
5. ↑ 1 2 Elektronvolt // Fyzikální encyklopedie / Kap. vyd. A. M. Prochorov . - M . : Velká ruská encyklopedie , 1998. - T. 5. Stroboskopické přístroje - Jas. - S. 545. - 760 s. — ISBN 5-85270-101-7 .
6. ↑ Glosář  – CMS Collaboration, CERN: „Elektronvolt (eV): Jednotka energie nebo hmotnosti používaná ve fyzice částic“. (Angličtina)
7. ↑ Konverzní faktory pro energetické ekvivalenty
8. ↑ Darrow KK Některé současné pokroky ve fyzice  //  Bell System Technical Journal. — Sv. 2(4). - S. 110. Archivováno 12. října 2014.
9. ↑ Číselně se rovná standardní entalpii tvorby vody v joulech na mol děleno Avogadrovou konstantou a děleno modulem elektronového náboje v coulombech
10. ↑ 1 2 3 Katalog spektra gama záření
11. ↑ 1 2 3 4 Jednotky měření vzdáleností, energií a hmotností
12. ↑ Mertens S. Direct Neutrino Mass Experiments  //  J. Phys.: Conf. Ser.. - 2016. - Sv. 718 . — S. 022013 .
13. ↑ ATLAS a CMS uvolňují společné měření hmotnosti Higgsova bosonu (odkaz není k dispozici) . Získáno 28. června 2015. Archivováno z originálu 2. dubna 2015. (neurčitý) 
14. ↑ Vlastnosti top kvarku: výsledky

Odkazy

• CODATA: Základní fyzikální konstanty – kompletní seznam
• Online převodník elektronvoltových jednotek na jiné číselné soustavy

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velká Katalánština Skvělý norský Velký Rus Britannica (online) Treccani