Elektronvolt
Elektronvolt, eV, je jedinica energije jednaka kinetičkoj energiji koju zadobije slobodni elektron u vakuumu prolaskom kroz potencijalnu razliku od jednog volta. Drugim rečima, to je jedan volt (1 volt = 1 džul po kulonu) puta naelektrisanje jednog elektrona (u kulonima). Jedan elektronvolt je vrlo mala jedinica energije: 1 eV = 1,602 176 53(14)×10−19 J.[1]
U fizici, elektronvolt[2][3] (simbol eV; takođe se piše elektron volt) jeste jedinica energije jednaka približno 160 zeptodžula (simbol zJ) ili 1,6×10−19 džula (simbol J). Po definiciji, to je količina energije dobijene (ili izgubljene) nabojem jednog elektrona koji se pomera kroz električnu potencijalnu razliku jednog volta. Tako je 1 volt (1 džul po kulonu ili 1 J/°C) pomnožen elementarnim nabojem (e, ili 1,602176565(35)×10−19 C). Otuda je, jedan elektronvolt jednak 1,602176565(35)×10−19 J.[4] Istorijski, elektronvolt je bio standardna jedinica mere kroz svoju koristivost u elektrostatičkom akceleratoru čestica zbog čestica sa nabojem q koji ima energiju E = qV kroz prolazak kroz potencijal V; ako se q uzima u celobrojnim jedinicama elementarnog naboja i terminalni prednapon u voltima, dobija se energija u eV.
Elektronvolt nije SI jedinica, te je njegova definicija empirijska (za razliku od litra, svetlosne godine i ostalih takvih ne-SI jedinica), tako da njegova vrednost u SI jedinicama mora biti dobijena eksperimentalno.[5] Kao elementarni naboj na kojem je zasnovan, on nije nezavisnog kvantiteta nego je jednak 1 J/C √2hα / μ0c0. To je opšta jedinica energije u fizici, šire korištena u čvrstom stanju, atomskoj, nuklearnoj i fizici čestica. Često se koristi sa metričkim prefiksima mili-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- ili eksa- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV i EeV respektivno). Tako meV stoji za milielektronvolt.
U nekim starijim dokumentima, i u imenu Bevatron, simbol BeV se koristi, koji stoji za milijardu eV; to je ekvivalent za GeV.
Mera | Jedinica | SI vrednost jedinice |
---|---|---|
Energija | eV | 1,602176565(35)×10−19 J |
Masa | eV/c2 | 1,782662×10−36 kg |
Impuls | eV/c | 5,344286×10−28 kg⋅m/s |
Temperatura | eV/kB | 11604.505(20) K |
Vreme | ħ/eV | 6,582119×10−16 s |
Udaljenost | ħc/eV | 1,97327×10−7 m |
Definicija
urediElektronvolt je količina kinetičke energije stečena ili izgubljena jednim elektronom koji ubrzava iz mirovanja kroz električnu razliku potencijala od jednog volta u vakuumu. Otuda ima vrednost od jednog volta, , pomnoženog sa 1 J/Celementarnim naelektrisanjem elektrona e, 176634×10−19 C. 1,602[6] Prema tome, jedan elektronvolt je jednak 176634×10−19 J. 1,602[7]
Elektronvolt, za razliku od volta, nije SI jedinica. Elektronvolt (eV) je jedinica energije dok je volt (V) izvedena SI jedinica električnog potencijala. SI jedinica za energiju je džul (J).
Odnos prema drugim fizičkim svojstvima i jedinicama
urediMasa
urediEkvivalencijom mase i energije, elektrovolta je takođe jedinica mase. Uobičajeno je u fizici čestica, gde se jedinice mase i energije često zamenjuju, da se masa izražava u jedinicama eV/c2, gde je c brzina svetlosti u vakuumu (od E = mc2). Uobičajeno je da se masa jednostavno izražava u vidu „eV” kao jedinicom mase, efikasno koristeći sistem prirodnih jedinica sa c podešenim na 1.[8] Ekvivalent mase od je 1 eV/c2
Na primer, elektron i pozitron, svaki sa masom od , mogu da se 0,511 MeV/c2unište dajući energije. Masa 1,022 MeVprotona je . Generalno, mase svih 0,938 GeV/c2hadrona su reda , što GeV (gigaelektronvolt) čini pogodnom jedinicom mase za fiziku čestica: 1 GeV/c2
- = 1 GeV/c266192×10−27 kg. 1,782
Objedinjena atomska jedinica mase (u), gotovo tačno 1 gram podeljena Avogadrovim brojem, gotovo je masa atoma vodonika, što je uglavnom masa protona. Da bi se pretvorila u elektronvolte, koristi se formula:
- 1 u = = 931,4941 MeV/c24941 GeV/c2. 0,931
Korišćenje elektronvolta za izražavanje mase
urediPrema Ajnštajnu energija je ekvivalentna masi, E=mc² (1 kg = 90 peta džula). Zbog toga je u fizici elementarnih čestica, gde se masa i energija koriste kao sinonimi, uobičajena upotreba jedinice eV/c² ili još jednostavnije samo eV za izražavanje mase.
Na primer, elektron i pozitron svaki sa masom od 0,511 MeV/c², mogu da se anihiliraju oslobađajući energiju od 1,022 MeV. Proton ima masu od 0,938 GeV, što čini GeV (gigaelektronvolt)vrlo pogodnom jedinicom za masu subatomskih čestica.
- 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
- 1 TeV/c² = 1,783×10−24 kg
- 1 PeV/c² = 1,783×10−21 kg
- 1 EeV/c² = 1,783×10−18 kg
Elektronvolt i energija
urediZa poređenje:
- 3,2×10−11 J ili 200 MeV je totalna energija oslobođena cepanjem jednog atoma U-235 (ovo je srednja vrednost; prava vrednost zavisi od načina cepanja)
- 3,5×10−11 J ili 210 MeV je srednja vrednost energije oslobođene pri cepanju jednog atoma Pu-239 atom (prava vrednost zavisi od načina cepanja)
- Energije hemijskih veza su reda elektronvolta po molekulu.
- Kinetička energija molekula u atmosferi na sobonoj temeperaturi je oko 1 ×10−21 J ili 1/40 eV.
- Izraz pokazuje zašto je eV osnovna jedinica za energiju pošto ili ekvivalentno čime se uklanja pogrešno verovanje da je eV jedinica za potencijal ili naelktrisanje.
Elektronvolt i osobine fotona
urediEnergija, E, frekvencija, ν, i talasna dužina, λ fotona povezani su izrazom
gde je h Plankova konstanta a c brzina svetlosti. Na primer, spektar vidljivog zračenja prostire se u opsegu talasnih dužina 400 nm do 700 nm. Stoga fotoni vidljivog zračenja imaju energije od
do
- .
Elektronvolt i temperatura
urediU nekim oblastima, kao što je fizika plazme, uobičajeno je da se elektronvolt koristi kao jedinica temperature. Konverzija u kelvine, K, postiže se preko Bolcmanove konstante, kB
Na primer, tipična plazma u fuziji je energije 15 keV, ili 174 megakelvina.
Upotreba elektronvolta za izražavanje vremena i rastojanja
urediU fizici čestica, rastojanje i vreme se ponekad izražava u inverznim elektronvoltima preko faktora konverzije[9]
- = 6,582 118 89(26) x 10-16 eV s
- = 197,326 960 2(77) eV nm
Rastojanje
urediU fizici čestica široko se koristi sistem prirodnih jedinica u kojima su brzina svetlosti u vakuumu c i redukovana Plankova konstanta ħ bezdimenzionalne i jednake jedinici: c = ħ = 1. U ovim jedinicama se izražavaju rastojanja i vremena u inverznim energetskim jedinicama (dok su energija i masa izražene u istim jedinicama, pogledajte ekvivalentnost mase i energije). Konkretno, dužine rasejanja čestica se često predstavljaju pomoću jedinice inverzne mase čestica.
Izvan ovog sistema jedinica, faktori konverzije između elektronvolta, sekunde i nanometra su sledeći:
Gore navedeni odnosi takođe omogućavaju da se izrazi srednji životni vek τ nestabilne čestice (u sekundama) u smislu njene širine raspada Γ (u eV) preko . Na primer, B0 mezon ima životni vek od 1,530(9) pikosekundi, srednja dužina raspada je cτ = 459,7 µm, ili širina raspada od ×10−4 eV. 4,302(25)
Suprotno tome, male razlike u masi mezona odgovorne za mezonske oscilacije često se izražavaju u pogodnijim inverznim pikosekundama.
Energija u elektronvoltima se ponekad izražava kroz talasnu dužinu svetlosti sa fotonima iste energije:
Talasna dužina
urediEnergija E, frekvencija ν i talasna dužina λ fotona su povezane sa
gde je h Plankova konstanta, c je brzina svetlosti. Ovo se svodi na
Foton sa talasnom dužinom od (zeleno svetlo) imao bi energiju od približno 532 nm. Slično, 2,33 eV bi odgovarao infracrvenom fotonu talasne dužine 1 eV ili frekvencije 1240 nm. 241,8 THz
Eksperimenti rasejanja
urediU eksperimentu niskoenergetskog nuklearnog rasejanja, uobičajeno je da se energija nuklearnog trzaja označava u jedinicama eVr, keVr, itd. Ovo razlikuje energiju nuklearnog trzaja od „elektronskog ekvivalenta“ energije trzanja (eVee, keVee, itd.) mereno scintilacionom svetlošću. Na primer, prinos fotocevi se meri u phe/keVee (fotoelektroni po keV elektron-ekvivalentnoj energiji). Odnos između eV, eVr, i eVeee zavisi od sredine u kojoj se rasejanje odvija i mora se utvrditi empirijski za svaki materijal.
Poređenja energije
urediLegenda
γ: Gama zraci | MIR: srednje infracrveno | HF: visoka frekvencija. |
HX: Jaki X-zraci | FIR: daleko infracrveno | MF: srednja frekvencija. |
SX: Blagi X-zraci | Radio talas | LF: niska frekvencija. |
EUV: Ekstremna ultraljubičasta | EHF= ekstremno visoka frekvencija | VLF: veoma niska frekvencija |
NUV: Blizu ultraljubičastog | SHF= super visoka frekvencija | VF/ULF: zbučna frekvencija |
Vidljivo svetlo | UHF= ultra visoka frekvencija | SLF: super niska frekvencija |
NIR: Blizo infracrvenog | VHF= veoma visoka frekvencija | ELF: ekstremno niska frekvencija |
Frek.: Frekvencija |
Energija | Izvor |
---|---|
×1058 QeV 3 | masa-energija sve obične materije u vidljivom univerzumu[13] |
QeV 52,5 | energija oslobođena od eksplozije 20 kilotonskog TNT ekvivalenta (npr. prinos nuklearnog oružja fisione bombe Debeljko) |
ReV 12,2 | Plankova energija |
YeV 10 | približna energija velikog ujedinjenja |
EeV 300 | prva primećena čestica kosmičkog zraka ultra-visoke energije, takozvana čestica Oh-Bože[14] |
EeV 62,4 | energija koju troši uređaj od 10 vati (npr. tipična[15] LED sijalica) u jednoj sekundi ( = 10 W ≈ 10 J/s×1019 eV/s) 6,24 |
PeV 2 | neutrino najveće energije koji je otkriven neutrino teleskopom Ajskjub na Antarktiku[16] |
14 TeV | projektovana energija sudara u centru mase protona na Velikom hadronskom sudaraču (radio na 3,5 TeV od svog početka 30. marta 2010. godine, dostigao 13 TeV u maju 2015.) |
1 TeV | , oko kinetičke energije letećeg 0,1602 µJkomarca[17] |
172 GeV | energija mase mirovanja gornjeg kvarka, najteže elementarne čestice za koju je ovo određeno |
±0,2 GeV 125,1 | energija mase mirovanja Higsovog bozona, merena sa dva odvojena detektora na LHC-u sa sigurnošću boljom od 5 sigma[18] |
210 MeV | prosečna energija oslobođena pri fisiji jednog atoma Pu-239 |
200 MeV | približna prosečna energija oslobođena pri nuklearnoj fisiji jednog atoma U-235. |
105,7 MeV | energija mase mirovanja miona |
17,6 MeV | prosečna energija oslobođena u nuklearnoj fuziji deuterijuma i tricijuma da bi se formirao He-4; ovo je po kilogramu proizvedenog proizvoda 0,41 PJ |
2 MeV | približna prosečna energija oslobođena u nuklearnoj fisiji neutrona oslobođenog iz jednog atoma U-235. |
1,9 MeV | Energija mase mirovanja gornjeg kvarka, kvarka najniže mase. |
1 MeV | , oko dvostruke 0,1602 pJenergije mase mirovanja elektrona |
1 do 10 keV | približna toplotna energija, kBT, u sistemima nuklearne fuzije, kao što je jezgro sunca, magnetno zatvorene plazme, inercijalno ograničenje i nuklearno oružje |
13,6 eV | energija potrebna za jonizaciju atomskog vodonika; energije molekularne veze su reda veličine od do 1 eV po vezi 10 eV |
1,65 do 3,26 eV | opseg energije fotona vidljivog spektra od crvene do ljubičaste |
1,1 eV | energija potrebna za prekid kovalentne veze u silicijumu |
720 meV | energija potrebna za prekid kovalentne veze u germanijumu |
< 120 meV | gornja granica energije mase mirovanja neutrina (zbir 3 ukusa)[19] |
38 meV | prosečna kinetička energija, 3/2kBT, jednog molekula gasa na sobnoj temperaturi |
25 meV | toplotna energija, kBT, na sobnoj temperaturi |
230 μeV | toplotna energija, kBT, na temperaturi kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja od ~2,7 kelvina |
Molarna energija
urediJedan mol čestica sa 1 eV energije ima približno 96,5 kJ energije – ovo odgovara Faradevoj konstanti (F ≈ 485 C⋅mol−1), gde je energija u džulima od n mola čestica sa energijom E eV jednaka sa E·F·n. 96
Vidi još
urediReference
uredi- ^ CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
- ^ IUPAC Gold Book, p. 75
- ^ SI brochure Arhivirano 2012-07-16 na sajtu Wayback Machine, Sec. 4.1 Table 7
- ^ „Fundamental Physical Constants from NIST”.
- ^ „Definitions of the SI units: Non-SI units”.
- ^ „2018 CODATA Value: elementary charge”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Pristupljeno 2019-05-20.
- ^ „2018 CODATA Value: electron volt”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Pristupljeno 2019-05-20.
- ^ Barrow, J. D. "Natural Units Before Planck." Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 24 (1983): 24.
- ^ K. Hagiwara et al, Review of Particle Physics, Phys. Rev. D66, 010001 (2002)
- ^ Molinaro, Marco (9. 1. 2006). „“What is Light?”” (PDF). University of California, Davis. IST 8A (Shedding Light on Life) - W06. Arhivirano iz originala (PDF) 29. 11. 2007. g. Pristupljeno 7. 2. 2014.
- ^ Elert, Glenn. „Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook”. hypertextbook.com. Arhivirano iz originala 2016-07-29. g. Pristupljeno 2016-07-30.
- ^ „Definition of frequency bands on”. Vlf.it. Arhivirano iz originala 2010-04-30. g. Pristupljeno 2010-10-16.
- ^ Lochner, Jim (11. 2. 1998). „Big Bang Energy”. NASA. Help from: Kowitt, Mark; Corcoran, Mike; Garcia, Leonard. Arhivirano iz originala 19. 8. 2014. g. Pristupljeno 26. 12. 2016.
- ^ Baez, John (jul 2012). „Open Questions in Physics”. DESY. Arhivirano iz originala 11. 03. 2020. g. Pristupljeno 19. 7. 2012.
- ^ „How Many Watts Does a Light Bulb Use?”. EnergySage (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2024-06-06.
- ^ „A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino”. 21. 5. 2014. Arhivirano iz originala 2015-03-19. g.
- ^ „Glossary”. Compact Muon Solenoid. CERN. Electronvolt (eV). Arhivirano iz originala 11. 12. 2013. g. Pristupljeno 18. 8. 2014.
- ^ ATLAS; CMS (26. 3. 2015). „Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments”. Physical Review Letters. 114 (19): 191803. Bibcode:2015PhRvL.114s1803A. PMID 26024162. arXiv:1503.07589 . doi:10.1103/PhysRevLett.114.191803 .
- ^ Mertens, Susanne (2016). „Direct neutrino mass experiments”. Journal of Physics: Conference Series. 718 (2): 022013. Bibcode:2016JPhCS.718b2013M. S2CID 56355240. arXiv:1605.01579 . doi:10.1088/1742-6596/718/2/022013.
Literatura
uredi- E Richard Cohen; Tom Cvitas; Jeremy G Frey; Bertil Holstrom; John W Jost, ur. (2007). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (PDF). International Union of Pure and Applied Chemistry (3. izd.). Royal Society of Chemistry; 3rd edition. ISBN 0854044337.
- International Union of Pure and Applied Chemistry (1993). Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry, 2nd edition, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. Electronic version.