Elektronvolt

Fisikan, elektronvolta (eV sinboloarekin adierazten dena) energia-unitate bat da, hutsean dagoen elektroi batek, volt bateko potentzial-diferentzia batez azeleratzean, lortzen duen energia zinetikoaren balioa duena: 1eV = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ J.^[1][2]

Partikulen fisikan, masa- zein energia-unitate gisa erabili ohi da, erlatibitatean Einstein-en E = m·c² erlazioaren bidez erlazionatuta baitaude bi unitate hauek. Hala izanik, Einstein-en erlazio horretatik elektronvolt bati dagokion masa-unitatea (eV/c²) aska daiteke: 1 eV/c² = 1,782 661 92 × 10^-36 kg. Energia handiko fisikarako elektronvolta neurri txikiegia izanik, ohikoa da haren multiploen erabilera; esaterako, MeV-a eta GeV-a.

Elektronvolta (eV ikurra) elektroi batek V_a potentzialeko puntu batetik V_b potentzialeko puntu batera eramatean jasaten duen energiaren aldakuntza adierazten duen energia unitat e bat da, V_ba = V_b - V_a = 1V denean. Bere zenbakizko balioa 1,602 176 634 × 10^-19 J da.

Nazioarteko Unitate Sisteman (NUS) onartutako unitateetako bat da, baina ez dago oinarrizko unitateen artean.

Partikulen Fisikan, elektronvolta oso unitate txikia denez, bere multiploak erabili ohi dira, hala nola megaelektronvolta (MeV) edo gigaelektronvolta (GeV).

Gaur egun, partikula-azeleragailu indartsuenekin teraelektronvoltaren (TeV) ordenako energiak atzitu dira (esate baterako, LHC Hadroi Talkagailu Handia, zeina 14 teraelektronvolt-erainoko energiarekin lan egiteko preparatuta dagoen). Gure unibertsoan badira are energia handiagoetako azeleragailuak diren objektuak: hamarnaka TeV–eko gamma izpiak detektatu dira, eta baita petaelektronvoltak (PeV) edo exaelektronvoltak (EeV) dituzten izpi kosmikoak ere.

Elektronvolt (eV) unitatea 1912an erabili zen lehen aldiz, Philosophical Magazine aldizkarian, nahiz eta momentu hartan volt baliokide izenaz ezagutzen zen. Hain zuzen ere, Karl Taylor Compton-ek eta Owen Willans Richardson-ek erabili zuten unitate hau, efektu fotoelektrikoari buruzko artikulu batean.

• 
  Karl Taylor Compton
• 
  Owen Willans Richardson

Estatu Batuetan, partikulen fisikaren garapenarekin, BeV unitatea erabiltzen hasi ziren (batzuetan bev edo Bev), non ‘B’ letrak mila milioi (ingeleseko 'billion') bat adierazten duen. Hala ere, 1948an, IUPAP-ak honen erabilera baztertu zuen eta 'giga' aurrizkiaren erabilera sustatu zuen mila milioi adierazteko (GeV).

Artikulu zahar batzuetan 'ev' erabiltzen dute elektronvoltaren laburdurarako.

Bestalde, Bevatron partikula-azeleragailuaren izena (1954tik 1993ra bitartean Berkeley-n, Estatu Batuetan, erabilia) BeV unitatearen laburduratik dator. Tevatron azeleragailua (1983-2011, Illinois) era berean izendatu zuten. Azken honek protoiak eta antiprotoiak 1 TeV-eko energietaraino azeleratzen zituen. Zevatron izena batzuetan erabiltzen da 10²¹ eV-eko energiadun astrofisikako iturrietarako.

Elektronvolta erabiltzen den fisikako arloetan, beste magnitude batzuk neurtzen dira elektronvoltetik datozen unitateak erabiliz.

Propietate fisikoa	Unitatea	Unitatearen balioa Nazioarteko Unitate Sisteman
Denbora	ħ/eV	6,582 119 569 × 10-16 s
Distantzia	ħc/eV	1,932 7 × 10-7 m
Masa	eV/c2	1,782 661 92 × 10-36 kg
Momentua	eV/c	5,344 286 × 10-28 kg · m/s
Tenperatura	eV/KB	11 604,518 12 K

Partikulen fisikan, ohikoa da unitate naturalen^[3] unitate-sistema erabiltzea, non c argiaren abiadura hutsean eta ħ Plancken konstante murriztua adimentsionaltzat eta unitariotzat hartzen diren: c = ħ = 1. Era honetan, denbora eta distantzia energia-unitateen alderantzizkotan adieraztea lor daiteke.

Plancken konstante murriztuaren, elektronvoltaren eta denboraren arteko erlazioa konstantearen baliotik lor daiteke:

${\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1.054571817\times 10^{-34}\ J\cdot s=6.582119569\times 10^{-16}\ eV\cdot s.}$^[4][5]

Ondorioz:

${\displaystyle {\frac {\hbar }{eV}}=6.58119569\times 10^{-16}\ s.}$

Denbora lortutako era antzekoan, distantzia elektronvoltetan adieraztea lor daiteke. Kasu honetan, argiaren abiadura hutsean erabili beharko da:

${\displaystyle {\frac {\hbar c}{eV}}=1.97327\times 10^{-7}\ m.}$

Masa-energia baliokidetasunean, elektronvolta masa unitate batekin bat dator. Oso erabilia da partikulen fisikan, masaren eta energiaren unitateak sarritan trukatzen direnean masa eV/c² unitatean adierazteko, non c argiaren abiadura hutsean den. Oso arrunta da informalki masa eV-etan adieraztea, unitate naturalen sistema erabiliz. Kilogramoaren baliokidea elektronvoltetan hurrengoa da:

${\displaystyle 1eV/c^{2}={\frac {(1.602176634\times 10^{-19}C)\times 1V}{(299792458m/s)^{2}}}=1.78266192\times 10^{-36}kg.}$

Adibidez, elektroia eta positroia, 0.511 MeV/c²-ko masa dutenak, bata bestea deuseztatzen dira 1.022 MeV energia sortuz. Bestalde, protoiak 0.938 GeV/c²-ko masa du. Orokorrean, hadroi guztien masak 1 GeV/c²-ko ordenakoak dira, beraz, GeV/c²-a masa adierazteko unitate komenigarria da partikulen fisikan^[6]:

${\displaystyle 1GeV/c^{2}=1.78266192\times 10^{-27}}$

Masa atomikoaren unitate batua (m_u), karbono 12^[7]-aren atomoaren masaren hamabiren bat, protoiaren masaren antzekoa da. Hau GeV/c²-etan adierazita:

${\displaystyle \mu =1Da=931.4941MeV/c^{2}=0.9314941GeV/c^{2}}$^[8]

Partikula baten energia zinetikoa, elektronvoltetan, c konstanteaz (argiaren abiaduraz) zatitzean, partikularen momentua lortzen da, unitatea eV/c izanik. Unitate naturaletan (c=1), c kendu daiteke eta momentua eV-etan adierazi.

Energia-momentua erlazioa hurrengoa da:

${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}.}$

Unitate naturaletan (c=1):

${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}.}$

Hau Pitagorasen ekuazioa da. Energia handi bat masa txiki bati aplikatzen zaionean, ${\displaystyle E\simeq p}$ hurbilketa egin daiteke energia altuetako fisikan; horrela, aplikatutako energia (eV-etan) eta momentuaren aldaketa (eV/c) numerikoki baliokideak izango dira.

Adibidez, elektroi baten momentua p=1GeV/c bada, MKS unitate sisteman hurrengoa izango da:

${\displaystyle p=1GeV/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602176634\times 10^{-19}C)\times (1V)}{2.99792458\times 10^{8}m/s}}=5.344286\times 10^{-19}kg\cdot m/s.}$

Eremu jakin batzuetan, plasmaren fisikan esate baterako, komenigarria da elektronvolta erabiltzea tenperaturak adierazteko. Elektronvolta Kelvin eskalara itzultzeko, Boltzmann-en konstanteaz zatitzen da:

${\displaystyle {\frac {1eV}{k_{B}}}={\frac {1.602176634\times 10^{-19}J}{1.380649\times 10^{-23}{\frac {J}{K}}}}=11604.51812K}$,

non k_B Boltzmann-en konstantea, K Kelvin tenperatura unitatea, J Joule energia unitatea SI-n, eta eV elektronvolta diren.

Adibide gisa, fusio konfinamendu magnetikoko ohiko plasma bat 15 keV (kilo-elektronvolt) da, eta hau 174 MK-ren (milio Kelvin) berdina da.

Hurbilketa bezala,

${\displaystyle k_{B}T=0.025eV(\approx {\frac {290K}{1160K/eV}})}$ dira 20ºC-ko tenperaturan.

E energia, maiztasuna eta uhin-luzera hurrengo adierazpenaren bitartez daude erlazionatuta:

${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {4.135667696\times 10^{-15}eV/Hz\times 299792458m/s}{\lambda }}}$

non h Planck-en konstantea den eta c argiaren abiadura den hutsean. Adierazpena honela murrizten da:

${\displaystyle E=4,13667696\times 10^{-15}eV/Hz\times \nu =1239.84198eVnm/\lambda }$

532 nm-ko uhin luzeradun fotoi batek (argi berdea) gutxi gorabehera 2.33 eV-ko energia izango luke. Ildo berean, 241.8 THz-ko maiztasuna eta 1240 nm-ko uhin-luzera duen fotoi infragorri bati 1 eV-ko energia dagokio.

Elektronvolta oso unitate energetiko txikia da egunerokotasuneko eskala batekin alderatuta. Aipatutakoa argiago ikusteko, adibidez, mugimenduan dagoen eltxo baten energia 1 bilioi elektronvolt magnitude-ordenakoa izango litzateke. Beraz, unitate hori erabilgarria izango da energia oso txikiko inguruneetan, alegia, partikulen munduan. 1 eV hain da txikia non ohikoa den, partikulekin lan egiterakoan kantitate handiagoak adierazteko aurrizkiak erabiltzea. Fisikan erabili ohi diren aurrizki tipikoenak hauek dira:

• ${\displaystyle 1keV=10^{3}eV}$
• ${\displaystyle 1MeV=10^{6}eV}$
• ${\displaystyle 1GeV=10^{9}eV}$
• ${\displaystyle 1TeV=10^{12}eV}$^{[oharrak 1]}

Unitatearen dimentsioa ulertzen jarraitzeko, koloredun telebista batean elektroiak 32.000 voltekin azeleratzen dira eta, ondorioz, elektroiek 32 keV-eko energia zinetikoa lortzen dute. Kantitate hori hobeto ulertzeko, 1 eV-eko energia zinetikoa duen elektroi baten abiadura 593 km/s-koa litzateke; horren ondoan, protoi baten abiadura 13,8 km/s-koa izango litzateke egoera berean.

Arlo zientifikoan gehiago murgilduz, munduko partikula-azeragailu handienak (LHC) protoi bakoitzari 1 TeV-eko energia transmititzeko gaitasuna du. Bestalde, energia nuklearra lortzeko, uranio 235U-ren nukleo bakar bat apurtzean 215 MeV-eko energia lortzen da. Datu honek hobeto ulertzen laguntzen du energia nuklearraren bidez lortu daitezkeen energia kantitate handiak.

Zientzia-munduan oso garrantzitsua den beste prozesu bat hidrogeno atomoaren ionizazio prozesua da, zeina atomoari elektroi bat kentzean datzan eta 13,6 eV-eko kostu energetikoa duen. Adibide mota hauek aztertzen bukatzeko, termodinamikan, aire partikulen energia zinetikoa, baldintza normaletan, 38 meV-ekoa (milielektronvolt) izango da.

Elektronvoltaren magnitudea elektroiaren karga neurtuz finkatzen da. Horretarako neurketa-metodorik zehatzena Josephson efektuan^[9] oinarritutakoa da, zeinak supereroaleen propietateak baliatzen dituen elektroiaren karga lortzeko. Metodo hori hain da zehatza non desbideratze estandar erlatiboa, errorea izango litzatekeena, 2,5 × 10^-8-koa den. Horrela, elektronvolt-joule unitate-konbertsioak^[10] zehatza izaten jarraitzen du.

Energia handienetik txikienera ordenatutako adibideen taula.

Energia	Energiaren iturria
2,5 × 1058 QeV	Unibertso behagarrian dagoen materia arrunt[11] guztiaren masa-energia
12,2 ReV	Plancken energia
10 YeV	Bateratze handiaren energia[12] (hurbilpena)
300 EeV	Oh-My-God partikula[13], behatutako izpi kosmiko energetikoena
62,4 EeV	10 W-eko gailu batek (esaterako, LED lanpara arrunt batek) segundo batean kontsumitutako energia
14 TeV	Hadroi Talkagailu Handiaren gehieneko energia
1 TeV	Hegan dabilen eltxo baten energia zinetikoa
172 GeV	Gaina quarkaren masa-energia pausagunean
125,1 ± 0,2 GeV	Higgs bosoiaren masa-energia pausagunean
200 MeV	U-235 atomo baten fisio nuklearrean askatutako energiaren batezbestekoa (hurbilpena)
105,7 MeV	Muoi baten masa-energia pausagunean
1,9 MeV	Gorantz quarkaren masa-energia pausagunean
1,65 eV-tik 3,26 eV-ra	Espektro ikusgaiaren barne dauden fotoien energien tartea
25 meV	Energia termikoa, KBT, giro tenperaturan
230 μeV	Energia termikoa, KBT, hondoko mikrouhin erradiazioaren ~2,7 K-eko erradiazio-tenperaturan

1. ↑ ^{a b} SI aurrizkiei buruzko informazio gehiago.

1. ↑ «ZT Hiztegi Berria» zthiztegia.elhuyar.eus (Noiz kontsultatua: 2024-10-16).
2. ↑ «CODATA Value: electron volt-joule relationship» physics.nist.gov (Noiz kontsultatua: 2024-10-16).
3. ↑ (Ingelesez) Natural units. 2024-08-15 (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).
4. ↑ «CODATA Value: reduced Planck constant» physics.nist.gov (Noiz kontsultatua: 2024-10-23).
5. ↑ «CODATA Value: reduced Planck constant in eV s» physics.nist.gov (Noiz kontsultatua: 2024-10-23).
6. ↑ (Ingelesez) «What’s a Hadron?» Of Particular Significance 2011-08-09 (Noiz kontsultatua: 2024-10-30).
7. ↑ (Gaztelaniaz) «Carbono-12 - EcuRed» www.ecured.cu (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).
8. ↑ (Gaztelaniaz) «Dalton (Da) - EcuRed» www.ecured.cu (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).
9. ↑ (Ingelesez) «Josephson effect | Superconductivity, Quantum Mechanics, Electron Tunneling | Britannica» www.britannica.com (Noiz kontsultatua: 2024-10-23).
10. ↑ (Ingelesez) «Relation Between eV And Joule: Definition, Formula & Significance» Testbook (Noiz kontsultatua: 2024-10-30).
11. ↑ (Ingelesez) admin. (2017-04-21). «ordinary matter» Quantum Physics Lady (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).
12. ↑ (Ingelesez) «The big idea of Grand Unified Theories of physics» Big Think 2024-04-18 (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).
13. ↑ (Ingelesez) «Why Scientists Haven’t Solved the Mystery of the OMG Particle | College of Science» science.utah.edu (Noiz kontsultatua: 2024-11-13).

• Joule