Elektronvolt

јединица енергије

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 1,6×1019 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)×1019 C). Otuda je, jedan elektronvolt jednak 1,602176565(35)×1019 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/C2hα / 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)×1019 J
Masa eV/c2 1,782662×1036 kg
Impuls eV/c 5,344286×1028 kg⋅m/s
Temperatura eV/kB 11604.505(20) K
Vreme ħ/eV 6,582119×1016 s
Udaljenost ħc/eV 1,97327×107 m

Definicija

uredi

Elektronvolt 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, 1 J/C, pomnoženog sa elementarnim naelektrisanjem elektrona e, 1,602176634×10−19 C.[6] Prema tome, jedan elektronvolt je jednak 1,602176634×10−19 J.[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

uredi

Ekvivalencijom 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 1 eV/c2 je

 

Na primer, elektron i pozitron, svaki sa masom od 0,511 MeV/c2, mogu da se unište dajući 1,022 MeV energije. Masa protona je 0,938 GeV/c2. Generalno, mase svih hadrona su reda 1 GeV/c2, što GeV (gigaelektronvolt) čini pogodnom jedinicom mase za fiziku čestica:

1 GeV/c2 = 1,78266192×10−27 kg.

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/c2 = 0,9314941 GeV/c2.

Korišćenje elektronvolta za izražavanje mase

uredi

Prema 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

uredi

Za 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

uredi

Energija, 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

uredi

U 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

uredi

U 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

uredi

U 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 = 459,7 µm, ili širina raspada od 4,302(25)×10−4 eV.

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

uredi
 
Energija fotona u vidljivom spektru u eV
 
Graf talasne dužine (nm) u odnosu na energiju (eV)

Energija 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 532 nm (zeleno svetlo) imao bi energiju od približno 2,33 eV. Slično, 1 eV bi odgovarao infracrvenom fotonu talasne dužine 1240 nm ili frekvencije 241,8 THz.

Eksperimenti rasejanja

uredi

U 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

uredi
 
Frekvencija fotona nasuprot energije čestice u elektronvoltima. Energija fotona varira sa frekvencijom fotona, što je vezano konstantom brzine svetlosti. Ovi kontrasti sa masivnim česticama od kojih energija zavisi od svoje brzine i ostatka mase.[10][11][12]
Legenda
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
3×1058 QeV masa-energija sve obične materije u vidljivom univerzumu[13]
52,5 QeV energija oslobođena od eksplozije 20 kilotonskog TNT ekvivalenta (npr. prinos nuklearnog oružja fisione bombe Debeljko)
12,2 ReV Plankova energija
10 YeV približna energija velikog ujedinjenja
300 EeV prva primećena čestica kosmičkog zraka ultra-visoke energije, takozvana čestica Oh-Bože[14]
62,4 EeV energija koju troši uređaj od 10 vati (npr. tipična[15] LED sijalica) u jednoj sekundi (10 W = 10 J/s6,24×1019 eV/s)
PeV 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 0,1602 µJ, oko kinetičke energije letećeg komarca[17]
172 GeV energija mase mirovanja gornjeg kvarka, najteže elementarne čestice za koju je ovo određeno
125,1±0,2 GeV 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 0,41 PJ po kilogramu proizvedenog proizvoda
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 0,1602 pJ, oko dvostruke energije 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 1 eV do 10 eV po vezi
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

uredi

Jedan mol čestica sa 1 eV energije ima približno 96,5 kJ energije – ovo odgovara Faradevoj konstanti (F96485 C⋅mol−1), gde je energija u džulima od n mola čestica sa energijom E eV jednaka sa E·F·n.

Vidi još

uredi

Reference

uredi
  1. ^ CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  2. ^ IUPAC Gold Book, p. 75
  3. ^ SI brochure Arhivirano 2012-07-16 na sajtu Wayback Machine, Sec. 4.1 Table 7
  4. ^ „Fundamental Physical Constants from NIST”. 
  5. ^ „Definitions of the SI units: Non-SI units”. 
  6. ^ „2018 CODATA Value: elementary charge”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Pristupljeno 2019-05-20. 
  7. ^ „2018 CODATA Value: electron volt”. The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20. 5. 2019. Pristupljeno 2019-05-20. 
  8. ^ Barrow, J. D. "Natural Units Before Planck." Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society 24 (1983): 24.
  9. ^ K. Hagiwara et al, Review of Particle Physics, Phys. Rev. D66, 010001 (2002)
  10. ^ 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. 
  11. ^ Elert, Glenn. „Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook”. hypertextbook.com. Arhivirano iz originala 2016-07-29. g. Pristupljeno 2016-07-30. 
  12. ^ „Definition of frequency bands on”. Vlf.it. Arhivirano iz originala 2010-04-30. g. Pristupljeno 2010-10-16. 
  13. ^ 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. 
  14. ^ Baez, John (jul 2012). „Open Questions in Physics”. DESY. Arhivirano iz originala 11. 03. 2020. g. Pristupljeno 19. 7. 2012. 
  15. ^ „How Many Watts Does a Light Bulb Use?”. EnergySage (na jeziku: engleski). Pristupljeno 2024-06-06. 
  16. ^ „A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino”. 21. 5. 2014. Arhivirano iz originala 2015-03-19. g. 
  17. ^ „Glossary”. Compact Muon Solenoid. CERN. Electronvolt (eV). Arhivirano iz originala 11. 12. 2013. g. Pristupljeno 18. 8. 2014. 
  18. ^ 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 . 
  19. ^ 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

Spoljašnje veze

uredi