Elektronvolt

Elektronvolt (eV) mjerna je jedinica za energiju, korištena u atomskoj i molekularnoj fizici. Definirana je kao kinetička energija koju primi elektron ubrzan električnim poljem kroz potencijalnu razliku od 1 V (volt) u vakuumu. Prema tome, 1 V (1 džul / kulon) pomnožen s elementarnim nabojem (1 e ili 1,60217653(14)×10⁻¹⁹ C) daje 1 eV, koji je jednak 1,60217653(14)×10⁻¹⁹ J.^[1] Povijesno, elektronvolt smišljen je kao jedinica mjere zbog svoje korisnosti u radu s akceleratorom čestica jer elementarna čestica s nabojem q nakon prolaska kroz razliku potencijala V ima energiju E = q x V pa ako se elementarni naboj prikazuje s e, a potencijal s V onda se energija izražava s eV.

1 eV = 1.602·10^-19 J (džula). Elektronvolti prikladni su za mjerenje energije čestica i elektromagnetskog zračenja. Energija se X-zraka izražava u elektronvoltima.

Kao i kod ostalih mjernih jedinica, rabe se izvedene jedinice s predmetcima (prefiksi) mjernih jedinica:

• 1 keV = 1.000 eV
• 1 MeV = 1.000.000 eV
• 1 GeV = 1.000.000.000 eV
• 1 TeV = 1.000.000.000.000 eV

Elektronvolt nije osnovna mjerna jedinica u međunarodnom sustavu mjernih jedinica i njena se vrijednost mora dobiti pokusima. Ona se dosta koristi u fizici, pogotovo u atomskoj fizici, nuklearnoj fizici i fizici elementarnih čestica.

U kemiji se kinetička energija obično izražava u jednom molu elektrona (6,02214179(30) × 10²³) koji prolazi kroz potencijal od 1 volt. To je jednako 96,48534(2) kJ/mol. Energija ionizacije također se izražava u elektronvoltima.

Kao jedinica energije

• 1 eV = 1,602176487(40)×10⁻¹⁹ J
• 1 eV (po atomu) = 96,485 kJ/mol^[2]

Za usporedbu:

• ~624 EeV (6,24 x 10²⁰ eV): energija potrebna za jednu 100 W električnu žarulju u jednoj sekundi (100 W = 100 J/s = 6,24 x 10²⁰ eV/s)
• 300 EeV (3 x 10²² eV) : kozmičke zrake s najvećom energijom ikad snimljene^[3]
• 14 TeV (14 x 10¹² eV) : energija koju će imati par protona u sudarima na velikom hadronskom sudarivaču
• 1 TeV (1 x 10¹² eV = 1,602×10⁻⁷ J) otprilike kinetička energija jednog letećeg komarca^[4]
• 210 MeV (2,1 x 10⁸ eV): prosječna energija oslobođena nuklearnom fisijom jednog atoma plutonija Pu-239.
• 200 MeV (2,1 x 10⁸ eV): ukupna prosječna energija oslobođena nuklearnom fisijom jednog atoma uranija U-235.
• 17,6 MeV (1,76 x 10⁷ eV): ukupna prosječna energija oslobođena nuklearnom fuzijom deuterija i tricija kod dobivanja helija He-4.
• 13,6 eV: energija potrebna za ionizaciju atoma vodika. Molekularne kovalentne veze imaju energiju veze reda veličine 1 eV po molekuli.
• 1,6 do 3,4 eV: energija jednog fotona vidljive svjetlosti
• 0,0375 eV: prosječna kinetička energija jedne molekule zraka na sobnoj temperaturi

Kao jedinica količine gibanja

U fizici se elementarnih čestica elektronvolt često koristi kao jedinica da se izrazi količina gibanja p. Razlika potencijala od 1 volt uzrokuje da elektron dobije količinu energije od jednog elektronvolta. U fizici elementarnih čestica jedna od osnovnih jedinica brzine brzina je svjetlosti u vakuumu, tako da dijeljenjem energije u eV-ima s brzinom svjetlosti u vakuumu c, količina se gibanja može opisati s eV/c.^{[5] [6]}

Na primjer, ako je količina gibanja p elektrona recimo 1 GeV tada vrijedi:

${\displaystyle p=1\;GeV/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1,60217646\times 10^{-19}\;C)\;\cdot \;V}{(2,99792458\times 10^{8}\;m/s)}}=5,344286\times 10^{-19}\;kg\cdot m/s}$

Kao jedinica mase

Prema ekvivalenciji mase i energije, elektrovolt može se izraziti i kao jedinica mase. U fizici elementarnih čestica, gdje se masa i energija mogu često izjednačiti, uobičajeno je koristiti eV/c², gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu.

Na primjer, reakcija elektrona i pozitrona: pozitron s masom 0,511 MeV/c² može anihilirati (proces pri kojem se čestica sudara sa svojom antičesticom) da bi se dobilo 1.022 MeV energije. Budući da proton ima masu od 0,938 GeV/c², gigaelektronvolt veoma često korištena jedinica za masu elementarnih čestica.

1 GeV/c² = 1,783·10⁻²⁷ kg

Atomska jedinica mase podijeljena s Avogadrovim brojem skoro je jednaka masi atoma vodika koja je, pak, skoro jednaka masi jednog protona.

1 atomska jedinica mase - Da = 931,46 MeV/c² = 0.93146 GeV/c²

1 MeV/c² = 1,074·10⁻³ Da (Dalton)

Kao jedinica temperature

U nekim područjima, kao što je fizika plazme, elektronvolt uobičajeno se upotrebljava kao jedinica temperatura. Da bismo pretvorili ga u kelvine (K) koristi se Boltzmannova konstanta:

${\displaystyle {1{\mbox{ eV}} \over k_{\mathrm {B} }}={1,602\,176\,53(14)\times 10^{-19}{\mbox{ J}} \over 1,380\,6505(24)\times 10^{-23}{\mbox{ J/K}}}=11\,604,505(20){\mbox{ K}}.}$

Na primjer, tipična energija magnetskog samoodržanja fuzije plazme iznosi 15 keV ili 170 MK (170 000 000 K).

Svojstva fotona

Energija fotona u spektru vidljive svjetlosti

Za energija E, frekvenciju ν i valnu duljinu λ fotona vrijedi:

${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {(4,13566733\times 10^{-15}\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{s}})(299\,792\,458\,{\mbox{m/s}})}{\lambda }}}$

gdje je h Planckova konstanta, a c brzina svjetlosti u vakuumu. Za brzi proračun može poslužiti formula:

${\displaystyle E{\mbox{(eV)}}\approx {\frac {1240\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{nm}}}{\lambda \ {\mbox{(nm)}}}}}$

Na primjer, foton valne duljine 532 nm (zeleno svjetlo) ima energiju koja otprilike iznosi 2,33 eV. Ili, 1 eV odgovara infracrvenom fotonu valne dužine 1240 nm.

Izvori

1. SI brochure  Arhivirana inačica izvorne stranice od 16. srpnja 2012. (Wayback Machine), Sec. 4.1 Table 7
2. Atkins physical chemistry 9th edition
3. Open Questions in Physics. German Electron-Synchrotron. A Research Centre of the Helmholtz Association. Updated March 2006 by JCB. Original by John Baez.
4. CERN - Glossary. Inačica izvorne stranice arhivirana 17. veljače 2009. Pristupljeno 5. ožujka 2011. journal zahtijeva |journal= (pomoć)
5. Units in particle physics. Associate Teacher Institute Toolkit. Fermilab. 22. ožujka 2002. Pristupljeno 13. veljače 2011.
6. Special Relativity. Virtual Visitor Center. SLAC. 15. lipnja 2009. Inačica izvorne stranice arhivirana 28. kolovoza 2008. Pristupljeno 13. veljače 2011.