Электронвольт

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Запрос «ЭВ» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Электронвольт
эВ, eV
Величинаэнергия
Система внесистемная
Тип производная

Электро̀нво́льт (электрон-вольт, редко электроновольт; русское обозначение: эВ, международное: eV) — внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике, в физике элементарных частиц и в близких и родственных областях науки (биофизике, физической химии, астрофизике и т. п.). В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «физика»[1].

Определение

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В[2]. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а элементарный заряд составляет 1,602 176 634⋅10−19 Кл (точно)[3], то

1 эВ = 1,602 176 634⋅10−19 Дж (точно) = 1,602 176 634⋅10−12 эрг (точно).

Основные сведения

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия Е, но и масса m элементарных частиц[4][5]. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение m = E0/c2, где c — скорость света, E0 — энергия покоящейся частицы. Поскольку c — фундаментальная постоянная, равная 299 792 458 м/с (точно), не изменяющаяся ни при каких условиях, то указание в качестве характеристики массы частицы её энергии покоя, выраженной в электронвольтах, однозначно определяет значение массы в любых традиционных единицах и к недоразумениям не приводит. В единицах массы 1 эВ = 1,782 661 921...⋅10−36 кг (точно)[3], и напротив, 1 кг = 5,609 588 603...⋅1035 эВ (точно)[3]. Атомная единица массы близка по значению к 1 ГэВ (с погрешностью около 7 %): 1 а. е. м. = 931,494 102 42(28) МэВ, и напротив, 1 ГэВ = 1,073 544 102 33(32) а. е. м.[3]. Импульс элементарной частицы также может быть выражен в электронвольтах (строго говоря, в эВ/c).

Электронвольт по сравнению с энергиями, характерными для большинства ядерных процессов, — маленькая величина, в этой области физики обычно применяются кратные единицы:

  • килоэлектронвольт (кэВ) — 1000 эВ,
  • мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 млн электронвольт,
  • гигаэлектронвольт (ГэВ) — 1 млрд электронвольт,
  • тераэлектронвольт (ТэВ) — 1 трлн электронвольт.

Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара[6] или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в 1 мм (массой ок. 0,5 мг) с высоты 3 см.

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе Eкин = 3⁄2kТ[5]. В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,518 12... кельвин (точно)[3] (см. постоянная Больцмана)[7].

Зависимость энергии фотона от длины волны

В электронвольтах выражают энергию квантов электромагнитного излучения (фотонов). Энергия фотонов с частотой ν в электронвольтах численно равна hν/EэВ, а излучения с длиной волны λ — hc/(λEэВ), где h — постоянная Планка, а EэВ — энергия, равная одному электронвольту, выраженная в единицах той же системы единиц, что и использованная для выражения h, ν и λ. Так как для ультрарелятивистских частиц, в том числе фотонов, λE = hc, то при вычислении энергии фотонов с известной длиной волны (и наоборот) часто полезен коэффициент пересчёта, представляющий собой выраженное в эВ·нм произведение постоянной Планка и скорости света:

hc = 1239,841 984… эВ·нм (точно)[3] ≈ 1240 эВ·нм.

Так, фотон с длиной волны 1 нм имеет энергию 1240 эВ; фотон с энергией 10 эВ имеет длину волны 124 нм и т. д.

В электронвольтах измеряется также работа выхода при внешнем фотоэффекте — минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества под действием света.

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов или однозарядных ионов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию Q = 96 485,332 12... Дж (точно)[3], равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина, выраженная в джоулях, численно равна постоянной Фарадея (модулю заряда 1 моля электронов), выраженной в кулонах. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия 96,485 кДж, то соответственно каждая молекула теряет (или получает) около 1 эВ.

В электронвольтах измеряется также ширина распада Γ элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния τ соотношением неопределённостей: Γ = ħ/τ). Частица с шириной распада 1 эВ имеет время жизни 6,582 119 569...⋅10−16 с (точно)[3]. Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 6,582 119 569...⋅10−16 эВ (точно)[3].

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер Карл Дарроу[англ.] в 1923 году[8].

Кратные и дольные единицы

В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются кратные единицы: килоэлектронвольты (кэВ, keV, 103 эВ), мегаэлектронвольты (МэВ, MeV, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, GeV, 109 эВ) и тераэлектронвольты (ТэВ, TeV, 1012 эВ). В физике космических лучей, кроме того, используются петаэлектронвольты (ПэВ, PeV, 1015 эВ) и эксаэлектронвольты (ЭэВ, EeV, 1018 эВ). В зонной теории твёрдого тела, физике полупроводников и физике нейтрино — дольные единицы: миллиэлектронвольты (мэВ, meV, 10−3 эВ).

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
101 эВ декаэлектронвольт даэВ daeV 10−1 эВ дециэлектронвольт дэВ deV
102 эВ гектоэлектронвольт гэВ heV 10−2 эВ сантиэлектронвольт сэВ ceV
103 эВ килоэлектронвольт кэВ keV 10−3 эВ миллиэлектронвольт мэВ meV
106 эВ мегаэлектронвольт МэВ MeV 10−6 эВ микроэлектронвольт мкэВ µeV
109 эВ гигаэлектронвольт ГэВ GeV 10−9 эВ наноэлектронвольт нэВ neV
1012 эВ тераэлектронвольт ТэВ TeV 10−12 эВ пикоэлектронвольт пэВ peV
1015 эВ петаэлектронвольт ПэВ PeV 10−15 эВ фемтоэлектронвольт фэВ feV
1018 эВ эксаэлектронвольт ЭэВ EeV 10−18 эВ аттоэлектронвольт аэВ aeV
1021 эВ зеттаэлектронвольт ЗэВ ZeV 10−21 эВ зептоэлектронвольт зэВ zeV
1024 эВ йоттаэлектронвольт ИэВ YeV 10−24 эВ иоктоэлектронвольт иэВ yeV
1027 эВ роннаэлектронвольт РнэВ ReV 10−27 эВ ронтоэлектронвольт рнэВ reV
1030 эВ кветтаэлектронвольт КвэВ QeV 10−30 эВ квектоэлектронвольт квэВ qeV
 рекомендовано к применению  применять не рекомендуется

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах

Энергия фотона с длиной волны 21,1061 см (радиолиния нейтрального атомарного водорода)
5,87433 мкэВ
Энергия фотона с частотой 1 ТГц
4,13 мэВ
Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре
≈0,025 эВ
Энергия фотона с длиной волны 1240 нм (ближняя инфракрасная область оптического спектра)
1,0 эВ
Энергия фотона с длиной волны 500 нм (граница зелёного и голубого цветов в видимом спектре)
≈2,5 эВ
Энергия образования одной молекулы воды из водорода и кислорода[9]
3,0 эВ
Постоянная Ридберга (почти равна энергии ионизации атома водорода)
13,605 693 122 994(26) эВ[3]
Энергия электрона в кинескопе телевизора
Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей
1 МэВ — 1⋅1021 эВ
Типичная энергия частиц — продуктов ядерного распада
альфа-частицы
2—10 МэВ [10]
бета-частицы
0—6 МэВ [10]
гамма-кванты
0,01—5 МэВ [10]
Массы частиц
Нейтрино[11]
Сумма масс всех трёх ароматов < 0,12 эВ[12]
Электрон[11]
0,510 998 950 00(15) МэВ[3]
Протон[11]
938,272 088 16(29) МэВ[3]
Бозон Хиггса
125,09 ± 0,24 ГэВ[13]
t-кварк (самая тяжёлая из известных элементарных частиц)[11]
173,315 ± 0,485 ± 1,23 ГэВ[14]
Планковская масса
1,220 890(14)⋅1019 ГэВ[3]

Примечания

  1. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Архивная копия от 2 ноября 2013 на Wayback Machine Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
  2. ↑ Электронвольт // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Архивная копия от 8 декабря 2013 на Wayback Machine Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  4. ↑ Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
  5. ↑ 1 2 Электронвольт // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 5. Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 545. — 760 с. — ISBN 5-85270-101-7.
  6. ↑ Glossary Архивная копия от 15 сентября 2014 на Wayback Machine — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)
  7. ↑ Conversion factors for energy equivalents. Дата обращения: 18 марта 2008. Архивировано 26 января 2021 года.
  8. ↑ Darrow K. K. Some Contemporary Advances in Physics (англ.) // Bell System Technical Journal. — Vol. 2 (4). — P. 110. Архивировано 12 октября 2014 года.
  9. ↑ Численно равна стандартной энтальпии образования воды в джоулях на моль, делённой на постоянную Авогадро и делённой на модуль заряда электрона в кулонах
  10. ↑ 1 2 3 Gamma-Ray Spectrum Catalogue. Дата обращения: 15 августа 2015. Архивировано 4 марта 2016 года.
  11. ↑ 1 2 3 4 Единицы измерения расстояний, энергий и масс. Дата обращения: 16 августа 2015. Архивировано 10 сентября 2015 года.
  12. ↑ Mertens S. Direct Neutrino Mass Experiments (англ.) // J. Phys.: Conf. Ser.. — 2016. — Vol. 718. — P. 022013. Архивировано 19 апреля 2021 года. Открытый доступ
  13. ↑ ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года.
  14. ↑ Свойства топ-кварка: результаты. Дата обращения: 16 августа 2015. Архивировано 1 августа 2015 года.

Ссылки