Электронвольт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Электро́нво́льт (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].

Основные сведения[править | править исходный текст]

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U — разность потенциалов), а элементарный заряд частиц, например, электрона составляет −1,602 176 565(35)·10−19 Кл, то:

1 эВ = 1,602 176 565(35)·10−19 Дж = 1,602 176 565(35)·10−12 эрг.

В физике элементарных частиц в электронвольтах (и производных единицах) обычно[2] выражается не только энергия, но и масса элементарных частиц[3][4], исходя из эквивалентности массы и энергии Е = mc² (или m = E/c²), где c — скорость света. Поэтому массу частиц корректнее выражать в эВ/c2, но делитель c2, там, где не может возникнуть двусмысленности, обычно опускают. В единицах массы[5] 1 эВ = 1,782 661 845(39)·10−36 кг, и напротив, 1 кг = 5,609 588 85(12)·1035 эВ. 1 а. е. м. = 931,494 061(21) МэВ. 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.

Последнее поколение ускорителей элементарных частиц позволяет достичь нескольких триллионов электронвольт (тераэлектронвольт, ТэВ). Один ТэВ приблизительно равен (кинетической) энергии летящего комара[6].

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=32[3]. В температурных единицах 1 эВ соответствует 11 604,519(11) кельвин (см. постоянная Больцмана)[7].

В химии часто используется молярный эквивалент электронвольта. Если один моль электронов перенесён между точками с разностью потенциалов 1 В, он приобретает (или теряет) энергию Q = 96 485,3365(21) Дж, равную произведению 1 эВ на число Авогадро. Эта величина численно равна постоянной Фарадея. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия 96,5 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 28(15)·10−16 с. Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни 1 с имеет ширину 6,582 119 28(15)·10−16 эВ.

Кратные и дольные единицы[править | править исходный текст]

В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются производные 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 — 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
     применять не рекомендуется

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах[править | править исходный текст]

Энергия кванта электромагнитного излучения с частотой 1 ТГц
4,13 мэВ
Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре
0,025 эВ
Энергия кванта оптического излучения с длиной волны 1240 нм
1,0 эВ
Энергия ионизации атома водорода
13,6 эВ
Энергия электрона в лучевой трубке телевизора
Порядка 20 кэВ
Энергии космических лучей
1 МэВ — 1·1021 эВ
Типичная энергия ядерного распада
альфа-частицы
2-10 МэВ
бета-частицы и гамма-лучи
0-20 МэВ
Массы частиц
Нейтрино
0,2 - 2 эВ
Электрон
0,510998910(13) МэВ
Протон
938,272013(23) МэВ
Бозон Хиггса
125 - 126 ГэВ[8]
Планковская масса
M_P = \sqrt{\frac{\hbar c}{G}}
≈ 1,2209·1019 ГэВ

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879
  2. Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
  3. 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
  4. В учебной и научно-популярной литературе массы элементарных частиц чаще выражаются в единицах СИ или в а. е. м.
  5. В результате получаем выражение массы в единицах энергии отнесенных к квадрату скорости света, но при этом коэффициент c² опускают, подразумевая использование естественных единиц, в которых скорость света является единичной и безразмерной величиной.
  6. CERN — Glossary: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics». (англ.)
  7. Conversion factors for energy equivalents
  8. CERN experiments observe particle consistent with long-sought Higgs boson - Пресс-релиз CERN, 4.07.2012

Ссылки[править | править исходный текст]