Электронвольт

Электронвольт
Электронвольт
	эВ, eV
Величина	энергия
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].

ОпределениеПравить

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 $\text{[math]}$ q равна $\text{[math]}$ qU (где $\text{[math]}$ 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 сведенияПравить

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия $\text{[math]}$ Е, но и масса $\text{[math]}$ m элементарных частиц^[4]^[5]. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение $\text{[math]}$ m = E₀/c², где $\text{[math]}$ c — скорость света, $\text{[math]}$ E₀ — энергия покоящейся частицы. Поскольку $\text{[math]}$ 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/ $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ E_кин = ³⁄₂kТ^[5]. В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,518 12... кельвин (точно)^[3] (см. постоянная Больцмана)^[7].

В электронвольтах выражают энергию квантов электромагнитного излучения (фотонов). Энергия фотонов с частотой $\text{[math]}$ ν в электронвольтах численно равна $\text{[math]}$ hν/E_эВ, а излучения с длиной волны $\text{[math]}$ λ — $\text{[math]}$ hc/(λE_эВ), где $\text{[math]}$ h — постоянная Планка, а $\text{[math]}$ E_эВ — энергия, равная одному электронвольту, выраженная в единицах той же системы единиц, что и использованная для выражения $\text{[math]}$ h, $\text{[math]}$ ν и $\text{[math]}$ λ. Так как для ультрарелятивистских частиц, в том числе фотонов, $\text{[math]}$ 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:

$\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ 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 $\text{[math]}$ Γ элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния $\text{[math]}$ τ соотношением неопределённостей: $\text{[math]}$ Γ = $\text{[math]}$ ħ/ $\text{[math]}$ 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^[en] в 1923 году^[8].

Кратные и дольные единицыПравить

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 твердого 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	иоттаэлектронвольт	ИэВ	YeV	10⁻²⁴ эВ	иоктоэлектронвольт	иэВ	yeV
10²⁷ эВ	роннаэлектронвольт	РэВ	ReV	10⁻²⁷ эВ	ронтоэлектронвольт	рэВ	reV
10³⁰ эВ	кветтаэлектронвольт	КвэВ	QeV	10⁻³⁰ эВ	квектоэлектронвольт	квэВ	qeV
рекомендовано к применению применять не рекомендуется

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтахПравить

Типичная энергия частиц — продуктов ядерного распада
Энергия кванта электромагнитного излучения 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 лучевой трубке телевизора	Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей	1 МэВ — 1⋅10²¹ эВ
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
$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $M_{P}={\sqrt {\frac {\hbar c}{G}}}$	1,220 890(14)⋅10¹⁹ ГэВ^[3]

ПримечанияПравить

↑ 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.
↑ Электронвольт // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing
↑ Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
↑ 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.
↑ Glossary — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)
↑ Conversion factors for energy equivalents
↑ Darrow K. K. Some Contemporary Advances in Physics (англ.) // Bell System Technical Journal. — Vol. 2 (4). — P. 110. Архивировано 12 октября 2014 года.
↑ Численно равна стандартной энтальпии образования воды в джоулях на моль, делённой на постоянную Авогадро и делённой на модуль заряда электрона в кулонах
↑ ¹ ² ³ Gamma-Ray Spectrum Catalogue
↑ ¹ ² ³ ⁴ Единицы измерения расстояний, энергий и масс
↑ Mertens S. Direct Neutrino Mass Experiments (англ.) // J. Phys.: Conf. Ser.. — 2016. — Vol. 718. — P. 022013.
↑ ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона (неопр.). Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года.
↑ Свойства топ-кварка: результаты

СсылкиПравить

[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.

[БСЭ-2] Электронвольт // Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

[CODATA_allascii-3] ¹ ² ³ ⁴ ⁵ ⁶ ⁷ ⁸ ⁹ ¹⁰ ¹¹ ¹² ¹³ http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Fundamental Physical Constants — Complete Listing

[4] Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня

[ФЭ5-5] 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 — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)

[7] Conversion factors for energy equivalents

[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

[Spectrum_Catalogue-10] ¹ ² ³ Gamma-Ray Spectrum Catalogue

[collider2-11] ¹ ² ³ ⁴ Единицы измерения расстояний, энергий и масс

[12] Mertens S. Direct Neutrino Mass Experiments (англ.) // J. Phys.: Conf. Ser.. — 2016. — Vol. 718. — P. 022013.

[13] ATLAS и CMS обнародовали совместное измерение массы хиггсовского бозона (неопр.). Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 2 апреля 2015 года.

[14] Свойства топ-кварка: результаты

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]