Електронволт

Електронволт, eV, је јединица енергије једнака кинетичкој енергији коју задобије слободни електрон у вакууму проласком кроз потенцијалну разлику од једног волта. Другим речима, то је један волт (1 волт = 1 џул по кулону) пута наелектрисање једног електрона (у кулонима). Један електронволт је врло мала јединица енергије: 1 eV = 1,602 176 53(14)×10⁻¹⁹ J.^[1]

У физици, електронволт^[2][3] (симбол eV; такође се пише електрон волт) јесте јединица енергије једнака приближно 160 зептоџула (симбол zJ) или 6981160000000000000♠1,6×10⁻¹⁹ џула (симбол J). По дефиницији, то је количина енергије добијене (или изгубљене) набојем једног електрона који се помера кроз електричну потенцијалну разлику једног волта. Тако је 1 волт (1 џул по кулону или 7000100000000000000♠1 J/°C) помножен елементарним набојем (e, или 6981160217656499999♠1,602176565(35)×10⁻¹⁹ C). Отуда је, један електронволт једнак 6981160217656499999♠1,602176565(35)×10⁻¹⁹ J.^[4] Историјски, електронволт је био стандардна јединица мере кроз своју користивост у електростатичком акцелератору честица због честица са набојем q који има енергију E = qV кроз пролазак кроз потенцијал V; ако се q узима у целобројним јединицама елементарног набоја и терминални преднапон у волтима, добија се енергија у eV.

Електронволт није СИ јединица, те је његова дефиниција емпиријска (за разлику од литра, светлосне године и осталих таквих не-СИ јединица), тако да његова вредност у СИ јединицама мора бити добијена експериментално.^[5] Као елементарни набој на којем је заснован, он није независног квантитета него је једнак 1 J/C √2hα / μ₀c₀. То је општа јединица енергије у физици, шире кориштена у чврстом стању, атомској, нуклеарној и физици честица. Често се користи са метричким префиксима мили-, кило-, мега-, гига-, тера-, пета- или екса- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV и EeV респективно). Тако meV стоји за милиелектронволт.

У неким старијим документима, и у имену Беватрон, симбол BeV се користи, који стоји за милијарду eV; то је еквивалент за GeV.

Мера	Јединица	СИ вредност јединице
Енергија	eV	6981160217656499999♠1,602176565(35)×10−19 J
Маса	eV/c2	6964178266199900000♠1,782662×10−36 kg
Импулс	eV/c	6972534428600000000♠5,344286×10−28 kg⋅m/s
Температура	eV/kB	7004116045050099999♠11604.505(20) K
Време	ħ/eV	6984658211900000000♠6,582119×10−16 s
Удаљеност	ħc/eV	6993197327000000000♠1,97327×10−7 m

Електронволт је количина кинетичке енергије стечена или изгубљена једним електроном који убрзава из мировања кроз електричну разлику потенцијала од једног волта у вакууму. Отуда има вредност од једног волта, 7000100000000000000♠1 J/C, помноженог са елементарним наелектрисањем електрона e, 6981160217663400000♠1,602176634×10⁻¹⁹ C.^[6] Према томе, један електронволт је једнак 6981160217663400000♠1,602176634×10⁻¹⁹ J.^[7]

Електронволт, за разлику од волта, није СИ јединица. Електронволт (eV) је јединица енергије док је волт (V) изведена СИ јединица електричног потенцијала. СИ јединица за енергију је џул (J).

Еквиваленцијом масе и енергије, електроволта је такође јединица масе. Уобичајено је у физици честица, где се јединице масе и енергије често замењују, да се маса изражава у јединицама eV/c², где је c брзина светлости у вакууму (од E = mc²). Уобичајено је да се маса једноставно изражава у виду „eV” као јединицом масе, ефикасно користећи систем природних јединица са c подешеним на 1.^[8] Еквивалент масе од 7000100000000000000♠1 eV/c² је

${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot 1\;{\text{V}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}})^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$

На пример, електрон и позитрон, сваки са масом од 6999511000000000000♠0,511 MeV/c², могу да се униште дајући 6987163742436971400♠1,022 MeV енергије. Маса протона је 6999938000000000000♠0,938 GeV/c². Генерално, масе свих хадрона су реда 7000100000000000000♠1 GeV/c², што GeV (гигаелектронволт) чини погодном јединицом масе за физику честица:

7000100000000000000♠1 GeV/c² = 6973178266192000000♠1,78266192×10⁻²⁷ kg.

Обједињена атомска јединица масе (u), готово тачно 1 грам подељена Авогадровим бројем, готово је маса атома водоника, што је углавном маса протона. Да би се претворила у електронволте, користи се формула:

1 u = 7002931494100000000♠931,4941 MeV/c² = 6999931494100000000♠0,9314941 GeV/c².

Према Ајнштајну енергија је еквивалентна маси, E=mc² (1 kg = 90 пета џула). Због тога је у физици елементарних честица, где се маса и енергија користе као синоними, уобичајена употреба јединице eV/c² или још једноставније само eV за изражавање масе.

На пример, електрон и позитрон сваки са масом од 0,511 MeV/c², могу да се анихилирају ослобађајући енергију од 1,022 MeV. Протон има масу од 0,938 GeV, што чини GeV (гигаелектронволт)врло погодном јединицом за масу субатомских честица.

1 eV/c² = 1,783×10⁻³⁶ kg

1 keV/c² = 1,783×10⁻³³ kg

1 MeV/c² = 1,783×10⁻³⁰ kg

1 GeV/c² = 1,783×10⁻²⁷ kg

1 TeV/c² = 1,783×10⁻²⁴ kg

1 PeV/c² = 1,783×10⁻²¹ kg

1 EeV/c² = 1,783×10⁻¹⁸ kg

За поређење:

• 3,2×10⁻¹¹ Ј или 200 MeV је тотална енергија ослобођена цепањем једног атома U-235 (ово је средња вредност; права вредност зависи од начина цепања)
• 3,5×10⁻¹¹ Ј или 210 MeV је средња вредност енергије ослобођене при цепању једног атома Pu-239 atom (права вредност зависи од начина цепања)
• Енергије хемијских веза су реда електронволта по молекулу.
• Кинетичка енергија молекула у атмосфери на собоној темеператури је око 1 ×10⁻²¹ J или 1/40 eV.
• Израз ${\displaystyle 1eV=1V\times q_{e}}$ показује зашто је eV основна јединица за енергију пошто ${\displaystyle V\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {W \over q_{0}}}$ или еквивалентно ${\displaystyle V\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\triangle E \over q_{0}}}$ чиме се уклања погрешно веровање да је eV јединица за потенцијал или наелктрисање.

Енергија, E, фреквенција, ν, и таласна дужина, λ фотона повезани су изразом

${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{\lambda }}}$

где је h Планкова константа а c брзина светлости. На пример, спектар видљивог зрачења простире се у опсегу таласних дужина 400 nm до 700 nm. Стога фотони видљивог зрачења имају енергије од

${\displaystyle E_{min}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{700~{\rm {nm}}}}=1,77~{\rm {eV}}}$

до

${\displaystyle E_{max}={\frac {1240~{\rm {nm~eV}}}{400~{\rm {nm}}}}=3,10~{\rm {eV}}}$.

У неким областима, као што је физика плазме, уобичајено је да се електронволт користи као јединица температуре. Конверзија у келвине, К, постиже се преко Болцманове константе, k_B

${\displaystyle {1{\mbox{ eV}} \over k_{B}}={1,60217653(14)\times 10^{-19}{\mbox{J}} \over 1,3806505(24)\times 10^{-23}{\mbox{J/K}}}=11604,505(20){\mbox{ kelvins}}}$

На пример, типична плазма у фузији је енергије 15 keV, или 174 мегакелвина.

У физици честица, растојање и време се понекад изражава у инверзним електронволтима преко фактора конверзије^[9]

• ${\displaystyle \hbar }$ = 6,582 118 89(26) x 10^-16 eV s
• ${\displaystyle \hbar c}$ = 197,326 960 2(77) eV nm

У физици честица широко се користи систем природних јединица у којима су брзина светлости у вакууму c и редукована Планкова константа ħ бездимензионалне и једнаке јединици: c = ħ = 1. У овим јединицама се изражавају растојања и времена у инверзним енергетским јединицама (док су енергија и маса изражене у истим јединицама, погледајте еквивалентност масе и енергије). Конкретно, дужине расејања честица се често представљају помоћу јединице инверзне масе честица.

Изван овог система јединица, фактори конверзије између електронволта, секунде и нанометра су следећи: $${\displaystyle \hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .}$$

Горе наведени односи такође омогућавају да се изрази средњи животни век τ нестабилне честице (у секундама) у смислу њене ширине распада Γ (у eV) преко . На пример, B0 мезон има животни век од 1,530(9) пикосекунди, средња дужина распада је cτ = 6996459699999999999♠459,7 µm, или ширина распада од 6977689256324707400♠4,302(25)×10⁻⁴ eV.

Супротно томе, мале разлике у маси мезона одговорне за мезонске осцилације често се изражавају у погоднијим инверзним пикосекундама.

Енергија у електронволтима се понекад изражава кроз таласну дужину светлости са фотонима исте енергије:

$${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$$

Енергија E, фреквенција ν и таласна дужина λ фотона су повезане са $${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$

где је h Планкова константа, c је брзина светлости. Ово се своди на $${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$

Фотон са таласном дужином од 6993532000000000000♠532 nm (зелено светло) имао би енергију од приближно 6981373307121471000♠2,33 eV. Слично, 6981160217648700000♠1 eV би одговарао инфрацрвеном фотону таласне дужине 6994124000000000000♠1240 nm или фреквенције 7014241800000000000♠241,8 THz.

У експерименту нискоенергетског нуклеарног расејања, уобичајено је да се енергија нуклеарног трзаја означава у јединицама eVr, keVr, итд. Ово разликује енергију нуклеарног трзаја од „електронског еквивалента“ енергије трзања (eVee, keVee, итд.) мерено сцинтилационом светлошћу. На пример, принос фотоцеви се мери у phe/keVee (фотоелектрони по keV електрон-еквивалентној енергији). Однос између eV, eVr, и eVeeе зависи од средине у којој се расејање одвија и мора се утврдити емпиријски за сваки материјал.

Енергија	Извор
7058299999999999999♠3×1058 QeV	маса-енергија све обичне материје у видљивом универзуму[13]
7001525000000000000♠52,5 QeV	енергија ослобођена од експлозије 20 килотонског ТНТ еквивалента (нпр. принос нуклеарног оружја фисионе бомбе Дебељко)
7001122000000000000♠12,2 ReV	Планкова енергија
7001100000000000000♠10 YeV	приближна енергија великог уједињења
7002300000000000000♠300 EeV	прва примећена честица космичког зрака ултра-високе енергије, такозвана честица Ох-Боже[14]
7001624000000000000♠62,4 EeV	енергија коју троши уређај од 10 вати (нпр. типична[15] ЛЕД сијалица) у једној секунди (7001100000000000000♠10 W = 7001100000000000000♠10 J/s ≈ 7000999758127888000♠6,24×1019 eV/s)
7000200000000000000♠2 PeV	неутрино највеће енергије који је откривен неутрино телескопом Ајскјуб на Антарктику[16]
6994224304708180000♠14 TeV	пројектована енергија судара у центру масе протона на Великом хадронском сударачу (радио на 3,5 TeV од свог почетка 30. марта 2010. године, достигао 13 TeV у мају 2015.)
6993160217648700000♠1 TeV	6993160200000000000♠0,1602 µJ, око кинетичке енергије летећег комарца[17]
6992275574355763999♠172 GeV	енергија масе мировања горњег кварка, најтеже елементарне честице за коју је ово одређено
6992200432278523699♠125,1±0,2 GeV	енергија масе мировања Хигсовог бозона, мерена са два одвојена детектора на LHC-у са сигурношћу бољом од 5 сигма[18]
6989336457062270000♠210 MeV	просечна енергија ослобођена при фисији једног атома Pu-239
6989320435297400000♠200 MeV	приближна просечна енергија ослобођена при нуклеарној фисији једног атома U-235.
6989169350054675900♠105,7 MeV	енергија масе мировања миона
6988281983061712000♠17,6 MeV	просечна енергија ослобођена у нуклеарној фузији деутеријума и трицијума да би се формирао He-4; ово је 7014410000000000000♠0,41 PJ по килограму произведеног производа
6987320435297400000♠2 MeV	приближна просечна енергија ослобођена у нуклеарној фисији неутрона ослобођеног из једног атома U-235.
6987304413532530000♠1,9 MeV	Енергија масе мировања горњег кварка, кварка најниже масе.
6987160217648700000♠1 MeV	6987160200000000000♠0,1602 pJ, око двоструке енергије масе мировања електрона
6984160217648700000♠1 до 10 keV	приближна топлотна енергија, kBT, у системима нуклеарне фузије, као што је језгро сунца, магнетно затворене плазме, инерцијално ограничење и нуклеарно оружје
6982217896002232000♠13,6 eV	енергија потребна за јонизацију атомског водоника; енергије молекуларне везе су реда величине од 6981160217648700000♠1 eV до 6982160217648700000♠10 eV по вези
6981264359120354999♠1,65 до 3,26 eV	опсег енергије фотона ${\displaystyle ({\tfrac {hc}{\lambda }})}$ видљивог спектра од црвене до љубичасте
6981176239413570000♠1,1 eV	енергија ${\displaystyle E_{g}}$ потребна за прекид ковалентне везе у силицијуму
6981115356707063999♠720 meV	енергија ${\displaystyle E_{g}}$ потребна за прекид ковалентне везе у германијуму
< 6980192261178440000♠120 meV	горња граница енергије масе мировања неутрина (збир 3 укуса)[19]
6979608827065059999♠38 meV	просечна кинетичка енергија, 3/2kBT, једног молекула гаса на собној температури
6979400544121749999♠25 meV	топлотна енергија, kBT, на собној температури
6977368500592010000♠230 μeV	топлотна енергија, kBT, на температури космичког микроталасног позадинског зрачења од ~2,7 келвина

Један мол честица са 1 eV енергије има приближно 96,5 kJ енергије – ово одговара Фарадевој константи (F ≈ 7004964850000000000♠96485 C⋅mol⁻¹), где је енергија у џулима од n мола честица са енергијом E eV једнака са E·F·n.

• Термодинамика

• BIPM's definition of the electronvolt
• physical constants reference; CODATA data