Electró-volt

Un electró-volt (símbol: eV) —de vegades electronvolt, que també és correcte^[1]— és la quantitat d'energia adquirida per un electró lliure en travessar un camp elèctric amb una diferència de potencial d'un volt. És una unitat d'energia, la qual equivalència exacta en joules és:^[2]

Electró-volt

Tipus	unitat d'energia, unitats que no formen part del SI però s'hi mencionen i accepten, unitat derivada en UCUM, unitat de massa i constant física
Unitat de	energia
Epònim	electró
Conversions d'unitats
A unitats del SI	0 J

$${\displaystyle 1\,{\text{eV}}=1,602\,176\,634\times 10^{-19}{\text{J}}}$$

L'energia que adquireix un electró dins d'un camp elèctric és energia cinètica ${\textstyle E_{c}={\frac {1}{2}}mv^{2}}$, deguda a la velocitat ${\displaystyle v}$ que adquireix quan s'accelera l'electró de massa ${\displaystyle m}$. Aquesta energia es pot calcular a partir del treball ${\displaystyle W}$ que fa el camp elèctric sobre l'electró ${\displaystyle W=-q\Delta V}$.^[3] En el cas d'un electró ${\displaystyle q=-e}$, el valor de la càrrega elèctrica elemental, i si la diferència de potencial és 1 volt, ${\displaystyle \Delta V=1{\text{V}}}$, resulta que l'energia cinètica és:

$${\displaystyle E_{c}=W=-(-1,602\,176\,634\times 10^{-19})\,{\text{C}}\cdot 1{\text{V}}=1,602\,176\,634\times 10^{-19}{\text{J}}}$$

L'electró-volt no és una unitat del Sistema Internacional d'Unitats (SI), però està acceptada per ser utilitzada amb unitats del SI. Com que l'electró-volt és una quantitat ínfima, sovint se n'utilitzen els múltiples del SI, que són:

• El quiloelectró-volt: 1 keV = 10³ eV
• El megaelectró-volt: 1 MeV = 10⁶ eV
• El gigaelectró-volt: 1 GeV = 10⁹ eV
• El teraelectró-volt: 1 TeV = 10¹² eV

Físics que empraren per primera vegada l'eV

• 
  Owen W. Richardson
• 
  Karl T. Compton.

Història

L'electró-volt és una unitat d'energia introduïda en física l'octubre del 1912 amb el nom en anglès d'equivalent volt,^[4] en un article sobre l'efecte fotoelèctric, pel físic anglès Owen Willans Richardson (1879-1959), Premi Nobel de Física del 1928, i l'estatunidenc Karl Taylor Compton (1887-1954) de la Universitat de Princeton, germà del Premi Nobel de Física del 1927 Arthur Holly Compton (1892-1962).^[5]

Radiació electromagnètica

La radiació electromagnètica a partir de l'infraroig proper fins als raigs còsmics més energètics sovint es classifiquen en intervals d'energia mesurats en electró-volts. La relació entre l'energia en joules del fotó i la freqüència de la radiació és la fórmula d'Einstein ${\displaystyle E=h\nu }$, on ${\displaystyle h}$ és la constant de Planck i ${\displaystyle \nu }$ la freqüència en hertz.

Intervals de radiació electromagnètica de mitjana i alta energia^[6]

Nom de la radiació	Energies (eV)	Energies (J)	Freqüències (Hz)
Part de les microones i infraroig llunyà	0,1 – 1	(1,6 – 16) × 10–20	(3 – 30) × 1013
Infraroig proper, visible i ultraviolat proper	1 – 10	(1,6 – 16) × 10–19	(3 – 30) × 1014
Ultraviolat de buit	10 – 100	(1,6 – 16) × 10–18	(3 – 30) × 1015
Raigs X blans	100 – 1 000	(1,6 – 16) × 10–17	(3 – 30) × 1016
Raigs X blans	(1 – 10) × 10³	(1,6 – 16) × 10–16	(3 – 30) × 1017
Raigs X durs i raigs γ blans	(1 – 10) × 104	(1,6 – 16) × 10–15	(3 – 30) × 1018
Raigs γ blans i durs	(1 – 10) × 10⁵	(1,6 – 16) × 10–14	(3 – 30) × 1019
Raigs γ durs i raigs γ còsmics	(1 – 10) × 106	(1,6 – 16) × 10–13	(3 – 30) × 1020
Raigs γ produïts per raigs còsmics	(1 – 10) × 107	(1,6 – 16) × 10–12	(3 – 30) × 1021

Energies de fenòmens atòmics i moleculars

Primeres energies d'ionització dels elements en funció del nombre atòmic.

Diferents energies de fenòmens atòmics s'expressen en electró-volts. És el cas de l'energia d'ionització, l'energia que cal aportar a un àtom o una molècula per extreure-li un electró. És una propietat característica de cada element químic i presenta una variació regular en la taula periòdica. Els valors oscil·len entre 3,89 eV pel cesi fins a 24,59 eV de l'heli. També el treball d'extracció dels metalls o funció de treball, l'energia necessària per extreure electrons d'un sòlid, s'expressen en electró-volts. S'empra en l'efecte fotoelèctric i l'efecte termoiònic.

Funcions de treball d'alguns elements químics^[7]

Elements	Al	Ag	Be	Cd	Ca	Cs	Co	Cu	Ni	Nb	Au	Pt	Zn
Funció de treball (eV)	4,08	4,26-4,73	5,0	4,07	2,9	1,95	5,0	4,7	5,01	4,3	5,1	6,36	4,3

Masses en eV

Partícules elementals segons el model estàndard. Les energies s'expressen en eV.

A causa de la relació massa i energia ${\displaystyle E=mc^{2}}$ o ${\textstyle m={\frac {E}{c^{2}}}}$ establerta pel físic alemany Albert Einstein el 1905, en física de partícules usa l'eV/c² com a unitat de massa, amb l'avantatge que la conversió entre massa i energia és trivial. Per exemple, un electró i un positró, cadascun amb una massa de 0,511 MeV/c², poden aniquilar-se generant una energia de 2 · 0,511 MeV = 1,022 MeV. L'equivalència és:

$${\displaystyle m=1{\frac {\text{eV}}{c^{2}}}\cdot {\frac {1,602\times 10^{-19}{\text{J}}}{1{\text{eV}}}}\cdot {\frac {c^{2}}{(2,998\times 10^{8}{\text{m/s}})^{2}}}=1,783\times 10^{-36}{\text{kg}}}$$

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

Mesura de la temperatura

En algunes àrees, com per exemple la física dels plasmes, pot ser convenient utilitzar l'electró-volt com la unitat de la temperatura. Per a saber la temperatura d'una partícula en kèlvins, a partir de la seva energia en electró-volts, es fa servir la constant de Boltzmann k_B.

$${\displaystyle {1{\mbox{ eV}} \over k_{B}}={1,602\ 177\times 10^{-19}\,{\mbox{ J}} \over 1,380\ 650\times 10^{-23}\,{\mbox{ J/K}}}=11\ 605\,{\mbox{ K}}}$$

Per exemple, una temperatura típica del plasma a una fusió per confinament magnètic és de 15 keV, és a dir 174 MK (megakelvins). La temperatura ambient (~ 20 °C) correspondria a 1/40^e electró-volt (0,025 eV).

Referències

1. «Electró-volt». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
2. «CODATA Value: electron volt». [Consulta: 28 juliol 2023].
3. Jackson, J. D.. Classical Electrodynamics. 2a ed. Nova York: John Wiley & Sons, 1975, p. 45. ISBN 978-0-471-43132-9.
4. Gyllenbok, Jan. Encyclopaedia of historical metrology, weights, and measures. Cham: Birkhäuser, 2018. ISBN 978-3-319-69067-4.
5. Richardson, O.W.; Compton, Karl T. «LIII. The photoelectric effect». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 24, 142, 10-1912, pàg. 575–594. DOI: 10.1080/14786441008637361. ISSN: 1941-5982.
6. Lide, David R.; Frederikse, H. P. R.. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 76th ed. Boca Raton: CRC press, 1997. ISBN 978-0-8493-0597-9.
7. Zolotoyabko, Emil. Introduction to solid state physics for materials engineers. Weinheim: Wiley-VCH, 2021. ISBN 978-3-527-34884-8.

Bibliografia

• Diccionari de la llengua catalana, dirigit per Jesús Giralt i Radigales, Enciclopèdia Catalana, Barcelona 2002.