Elektronické napětí - Electronvolt

v fyzika, an elektronvolt (symbol eV, také písemné elektronový volt a elektronový volt) je částka Kinetická energie získal jediný elektron zrychlení z klidu přes rozdíl elektrického potenciálu jednoho volt ve vakuu. Při použití jako jednotka energie, číselná hodnota 1 eV v joulů (symbol J) je ekvivalentní s číselnou hodnotou náboje elektronu v coulombs (symbol C). Pod Předefinování základních jednotek SI v roce 2019, nastaví se 1 eV na přesnou hodnotu 1.602176634×10⁻¹⁹ J.^[1]

Historicky byl elektronvolt navržen jako standardní měrná jednotka díky své užitečnosti v elektrostatický urychlovač částic vědy, protože částice s elektrický náboj q má energii E = qV po průchodu potenciálem PROTI; -li q je citován v celých jednotkách elementárního náboje a potenciálu v voltů, jeden dostane energii v eV.

Je to běžné jednotka energie ve fyzice, široce používaný v pevné skupenství, atomový, jaderný, a částicová fyzika. To se běžně používá s metrické předpony milli-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- nebo exa- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV a EeV). V některých starších dokumentech a ve jménu Bevatron, je použit symbol BeV, který znamená miliarda (10⁹) elektronvolty; je ekvivalentní GeV.

Definice

Elektronvolt je množství kinetické energie získané nebo ztracené jediným elektron zrychlení z klidu přes rozdíl elektrického potenciálu jednoho volt ve vakuu. Proto má hodnotu jednoho volt, 1 J / C, vynásobené elektrony základní náboj E, 1.602176634×10⁻¹⁹ C.^[2] Proto se jeden elektronvolt rovná 1.602176634×10⁻¹⁹ J.^[3]

Elektronový volt, na rozdíl od voltu, není Jednotka SI. Elektronvolt (eV) je jednotka energie, zatímco volt (V) je odvozená jednotka SI elektrického potenciálu. Jednotkou SI pro energii je joule (J).

Hmotnost

Podle ekvivalence hmotnost-energie, elektronvolt je také jednotkou Hmotnost. Je to běžné v částicová fyzika, kde se jednotky hmotnosti a energie často zaměňují, vyjadřovat hmotnost v jednotkách eV /C², kde C je rychlost světla ve vakuu (od E = mc² ). Je běžné jednoduše vyjádřit masu ve smyslu „eV“ jako a jednotka hmotnosti, účinně využívající systém přirozené jednotky s C nastaveno na 1.^[4] Hmotnostní ekvivalent 1 eV /C² je

${displaystyle 1; {ext {eV}} / c ^ {2} = {frac {(1,602 176 634 obrázků 10 ^ {- 19}; {ext {C}}) cdot 1; {ext {V}}} { (2,99 792 458 obrázků 10 ^ {8}; {ext {m}} / {ext {s}}) ^ {2}}} = 1,782 661 92 obrázků 10 ^ {- 36}; {ext {kg}}. }$

Například elektron a pozitron, každý s hmotností 0,511 MeV /C², umět zničit poddat se 1,022 MeV energie. The proton má hmotnost 0,938 GeV /C². Obecně platí, že masy všech hadrony jsou v řádu 1 GeV /C², což dělá z GeV (gigaelectronvolt) vhodnou jednotku hmotnosti pro fyziku částic:

1 GeV /C² = 1.78266192×10⁻²⁷ kg.

The jednotná jednotka atomové hmotnosti (u), téměř přesně 1 gram děleno Číslo Avogadro, je téměř hmotnost a atom vodíku, což je většinou hmotnost protonu. Chcete-li převést na elektronvolty, použijte vzorec:

1 u = 931,4941 MeV /C² = 0.9314941 GeV /C².

Hybnost

v vysokoenergetická fyzika, elektronvolt se často používá jako jednotka hybnost. Potenciální rozdíl 1 volt způsobí, že elektron získá určité množství energie (tj. 1 eV). To vede k použití eV (a keV, MeV, GeV nebo TeV) jako jednotek hybnosti, protože dodaná energie má za následek zrychlení částice.

Rozměry jednotek hybnosti jsou LMT⁻¹. Rozměry energetických jednotek jsou L²MT⁻². Poté vydělením jednotek energie (například eV) základní konstantou, která má jednotky rychlosti (LT⁻¹), usnadňuje požadovanou konverzi použití energetických jednotek k popisu hybnosti. V oblasti fyziky částic o vysoké energii je základní jednotkou rychlosti rychlost světla ve vakuu C.

Dělením energie v eV rychlostí světla lze popsat hybnost elektronu v jednotkách eV /C.^[5][6]

Konstanta základní rychlosti C je často upustil z jednotek hybnosti definováním jednotek délky tak, aby hodnota C je jednota. Například pokud hybnost p elektronu se říká, že je 1 GeV, pak lze převodu na MKS dosáhnout:

${displaystyle p = 1; {ext {GeV}} / c = {frac {(1 imes 10 ^ {9}) cdot (1,602 176 634 imes 10 ^ {- 19}; {ext {C}}) cdot (1 ; {ext {V}})} {(2,99 792 458 obrázků 10 ^ {8}; {ext {m}} / {ext {s}})}}} = 5,344 286 obrázků 10 ^ {- 19}; {ext {kg}} cdot {ext {m}} / {ext {s}}.}$

Vzdálenost

v částicová fyzika, systém "přirozených jednotek", ve kterém je rychlost světla ve vakuu C a snížená Planckova konstanta ħ jsou bezrozměrné a rovné jednotě je široce používán: C = ħ = 1. V těchto jednotkách jsou vzdálenosti i časy vyjádřeny v jednotkách inverzní energie (zatímco energie a hmotnost jsou vyjádřeny ve stejných jednotkách, viz ekvivalence hmotnost-energie ). Zejména částice rozptylové délky jsou často prezentovány v jednotkách hmotností inverzní částice.

Mimo tento systém jednotek jsou převodní faktory mezi elektronvoltem, druhým a nanometrem následující:

${displaystyle hbar = {{h} nad {2pi}} = 1,054 571 817 646 obrázků 10 ^ {- 34} {mbox {J s}} = 6,582 119 569 509 obrázků 10 ^ {- 16} {mbox {eV s} }.}$

Výše uvedené vztahy také umožňují vyjádření střední životnost τ nestabilní částice (v sekundách), pokud jde o její šířka úpadku Γ (v eV) prostřednictvím Γ = ħ/τ. Například B⁰ mezon má životnost 1,530 (9)pikosekundy, střední délka rozpadu je cτ = 459,7 μm, nebo šířka úpadku (4.302±25)×10⁻⁴ eV.

Naopak malé mezonové hmotové rozdíly jsou odpovědné za mezonové oscilace jsou často vyjádřeny v pohodlnějších inverzních pikosekundách.

Energie v elektronvoltech je někdy vyjádřena vlnovou délkou světla s fotony stejné energie:

${displaystyle {frac {1; {ext {eV}}} {hc}} = {frac {(1,602 176 634 obrázků 10 ^ {- 19}; {ext {J}})}} {(2,99 792 458 obrázků 10 ^ {10}; {ext {cm}} / {ext {s}}) cdot (6,62 607 015 obrázků 10 ^ {- 34}; {ext {J}} cdot {ext {s}})}} hick cca 8065,5439; {ext {cm}} ^ {- 1}.}$

Teplota

V určitých oblastech, jako např fyzika plazmatu, je vhodné použít elektronvolt k vyjádření teploty. Elektronvolt se vydělí Boltzmannova konstanta převést na Kelvinova stupnice:

${displaystyle {1 over k_ {ext {B}}} = {1,602 176 634 imes 10 ^ {- 19} {ext {J / eV}} přes 1,380 649 imes 10 ^ {- 23} {ext {J / K} }} = 11 604,518 12 {ext {K / eV}}.}$

Kde k_B je Boltzmannova konstanta, K je Kelvin, J je Joules, eV je elektronvolt.

The k_B se předpokládá při použití elektronvoltu k vyjádření teploty, například typické fúze magnetického vězení plazma je 15 keV (kilo-elektronvoltů), což se rovná 170 MK (milionům Kelvinů).

Jako přibližné: k_BT je o 0,025 eV (≈ 290 K./11604 K / eV) při teplotě 20 ° C.

Vlastnosti

Energie fotonů ve viditelném spektru v eV

Graf vlnové délky (nm) na energii (eV)

Energie E, frekvence protia vlnová délka λ fotonu jsou vztaženy vztahem

${displaystyle E = hu = {frac {hc} {lambda}}}$ ${displaystyle = {frac {(4,135 667 516 obrázků 10 ^ {- 15}, {mbox {eV}}, {mbox {s}}) (299 792 458, {mbox {m / s}})}} {lambda} }}$

kde h je Planckova konstanta, C je rychlost světla. To se snižuje na

${displaystyle E {mbox {(eV)}} = 4,135 667 516, {mbox {feVs}} cdot u {mbox {(PHz)}}}$ ${displaystyle = {frac {1 239,841 93, {mbox {eV}}, {mbox {nm}}} {lambda {mbox {(nm)}}}}}}$^[1]

Foton s vlnovou délkou 532 nm (zelené světlo) by mělo energii přibližně 2,33 eV. Podobně, 1 eV by odpovídalo infračervenému fotonu vlnové délky 1240 nm nebo frekvence 241,8 THz.

Rozptylové experimenty

V experimentu s nízkoenergetickým rozptylem jader je obvyklé označovat energii zpětného rázu v jednotkách eVr, keVr atd. Tím se odlišuje energie zpětného rázu od „ekvivalentu elektronu“ energie zpětného rázu (eVee, keVee atd.) měřeno scintilace světlo. Například výnos a fototrubice se měří v phe / keVee (fotoelektrony na keV elektronově ekvivalentní energii). Vztah mezi eV, eVr a eVee závisí na médiu, na kterém se rozptyl odehrává, a musí být pro každý materiál stanoven empiricky.

Energetická srovnání

Frekvence fotonu vs. energetická částice v elektronvoltech. The energie fotonu se mění pouze s frekvencí fotonu, vztaženou k rychlosti světelné konstanty. To kontrastuje s masivní částice, jejíž energie závisí na její rychlosti a odpočinková hmota.^[7][8][9] Legenda

γ: Gama paprsky	MIR: Střední infračervené záření	HF: Vysoká frekvence
HX: Tvrdý Rentgenové záření	FIR: Daleko infračervené	MF: Střední frekvence
SX: Měkké rentgenové paprsky	Rádiové vlny	LF: Nízké frekvence
EUV: Extrémní ultrafialový	EHF: Extrémně vysoká frekvence.	VLF: Velmi nízká frekvence
NUV: Blízko ultrafialového záření	SHF: Super vysoká frekvence.	VF / ULF: Hlasové frekvence
Viditelné světlo	UHF: Ultra vysoká frekvence	SLF: Super nízké frekvence.
NIR: Blízko Infračervený	VHF: Velmi vysoká frekvence	ELF: Extrémně nízké frekvence.
		Frekvence: Frekvence

Energie	Zdroj
5.25×1032 eV	celková energie uvolněná z 20kt zařízení pro jaderné štěpení
1.22×1028 eV	the Planckova energie
10 Y eV (1×1025 eV)	přibližný energie velkého sjednocení
~624 E eV (6.24×1020 eV)	energie spotřebovaná jednou 100W žárovkou za sekundu (100 W. = 100 J / s ≈ 6.24×1020 eV / s)
300 E eV (3×1020 eV = ~50 J)	[10] takzvaný Částečka, můj bože (nejenergetičtější kosmický paprsek, jaký kdy byl pozorován)
2 PeV	dva petaelektronvolty, nejvíce vysokoenergetické neutrino detekované Kostka ledu neutrinový dalekohled v Antarktidě[11]
14 TeV	navržená srážková energie protonového těžiště v Velký hadronový urychlovač (provozováno na 3,5 TeV od svého zahájení dne 30. března 2010, dosáhlo 13 TeV v květnu 2015)
1 TeV	bilion elektronvoltů, nebo 1.602×10−7 J, o kinetické energii létání komár[12]
172 GeV	zbytková energie top kvark, nejtěžší měřeno elementární částice
125,1 ± 0,2 GeV	energie odpovídající hmotnosti Higgsův boson, měřeno dvěma samostatnými detektory na LHC do jistoty lepší než 5 sigma[13]
210 MeV	průměrná energie uvolněná štěpením jedné Pu-239 atom
200 MeV	přibližná průměrná energie uvolněná v jaderné štěpení štěpné fragmenty jednoho U-235 atom.
105,7 MeV	klidová energie a mion
17,6 MeV	průměrná energie uvolněná v fúze z deuterium a tritium tvořit He-4; tohle je 0,41 PJ na kilogram vyrobeného produktu
2 MeV	přibližná průměrná energie uvolněná v a jaderné štěpení neutron uvolněný z jednoho U-235 atom.
1,9 MeV	zbytková energie do tvarohu, kvark s nejnižší hmotností.
1 MeV (1.602×10−13 J)	asi dvakrát klidová energie elektronu
1 až 10 keV	přibližná tepelná teplota, ${displaystyle k_ {B} T}$, v jaderná fůze systémy, jako jádro systému slunce, magneticky uzavřená plazma, setrvačné vězení a nukleární zbraně
13,6 eV	energie potřebná k ionizovat atomový vodík; molekulární vazebné energie jsou na objednat z 1 eV na 10 eV za obligaci
1,6 eV na 3,4 eV	the fotonová energie viditelného světla
<2 eV	přibližná klidová energie neutrina
1,1 eV	energie ${displaystyle E_ {g}}$ nutné rozbít a kovalentní pouto křemík
720 meV	energie ${displaystyle E_ {g}}$ nutné rozbít a kovalentní pouto germanium
25 meV	Termální energie, ${displaystyle k_ {B} T}$, pokojová teplota; jedna molekula vzduchu má průměrná kinetická energie 38 meV
230 μeV	Termální energie, ${displaystyle k_ {B} T}$, z kosmické mikrovlnné pozadí

Na krtek

Jeden mol částic, kterým je dána 1 eV energie, má přibližně 96,5 kJ energie - to odpovídá Faradayova konstanta (F ≈ 96485 C mol⁻¹), kde energie v joulech n moly částic každý s energií E eV se rovná E·F·n.

Viz také

• Řády (energie)

Reference

externí odkazy

• Definice elektronvoltu BIPM
• odkaz na fyzikální konstanty; CODATA data