Elektronvolt

Elektronvolt (eV) je mjerna jedinica za energiju, korištena u atomskoj i molekularnoj fizici. Definirana je kao kinetička energija koju primi elektron kada je ubrzan električnim poljem kroz potencijalnu razliku od 1 V (volt) u vakuumu. Po 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] Historijski, elektronvolt je smišljen kao jedinica mjere zbog svoje korisnosti u radu s akceleratorom čestica, jer elementarna čestica s nabojem q ima energiju E = q x U, nakon prolaska kroz razliku potencijala U, 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 su prikladni za mjerenje energije čestica i elektromagnetskog zračenja. Energija X-zraka se izražava u elektronvoltima.

Kao i kod ostalih mjernih jedinica, rabe se izvedene jedinice s prefiksima 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 vrijednost se mora dobiti pokusima. Ona se dosta koristi u fizici, pogotovo atomska fizika, nuklearna fizika i fizika elementarnih čestica.

U kemiji, obično se kinetička energija 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 se isto 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 potrebna za sudaranje protona u velikom hadronskom sudaraču
• 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 elementarnih čestica elektronvolt se često koristi kao jedinica da se izrazi količina gibanja p. Razlika potencijala od 1 volt uzrokuje da elektron dobije količinu energije od jedan elektronvolt. U fizici elementarnih čestica jedna od osnovnih jedinica brzine je brzina svjetlosti u vakuumu, tako da djeljenjem energije u eV s brzinom svjetlosti u vakuumu c, količina gibanja se može opisati s eV/c. ^{[5] [6]}

Na primjer, ako je količina gibanja p elektrona recimo 1 GeV, onda se dobije:

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

Kao jedinica mase

Prema ekvivalenciji mase i energije, elektrovolt se može izraziti i kao jedinica mase. Uobičajeno je u fizici elementarnih čestica, gdje se masa i energija mogu često izjednačiti, da se koristi 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 u kojem se čestica sudara sa svojom antičesticom) da bi se dobilo 1.022 MeV energije. Proton ima masu od 0,938 GeV/c² , tako da je gigaelektronvolt veoma uobičajena jedinica za masu kod elementarnih čestica.

1 GeV/c² = 1,783×10⁻²⁷ kg

Atomska jedinica mase podijeljena s Avogadrovim brojem je skoro masa atoma vodika, koja je skoro i masa 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, uobičajeno je elektronvolt upotrebljavati kao jedinicu temperature. Da bismo pretvorili u K (Kelvin) 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 je 15 keV, ili 170 MK (170 000 000 K).

Svojstva fotona

Energija fotona u spektru vidljive svijetlosti

Energija E, frekvencija ν, i valna dužina λ fotona su u odnosu:

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

Gdje je h Planckova konstanta, c je 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 dužine 532 nm (zeleno svjetlo) ima energiju otprilike 2,33 eV. Ili, 1 eV odgovara infracrvenom fotonu valne dužine 1240 nm.

Izvori

1. SI brochure, 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
5. „Units in particle physics”. Associate Teacher Institute Toolkit. Fermilab. 22 March 2002. Pristupljeno 13 February 2011.
6. „Special Relativity”. Virtual Visitor Center. SLAC. 15 June 2009. Arhivirano iz originala na datum 2008-08-28. Pristupljeno 13 February 2011.