Электронвольт

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Перенаправление Шаблон:Единица измерения

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 Шаблон:Итп). 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 Шаблон:Nobr[2]. Так как работа при переносе заряда Шаблон:Math равна Шаблон:Math (где Шаблон:Math — разность потенциалов), а элементарный заряд составляет Шаблон:Nobr (точно)[3], то

Шаблон:Nobr (точно).

Основные сведения

В физике элементарных частиц в электронвольтах обычно выражается не только энергия Шаблон:Math, но и масса Шаблон:Math элементарных частиц[4][5]. Основанием для этого служит тот факт, что в силу эквивалентности массы и энергии выполняется соотношение Шаблон:Math, где Шаблон:Math — скорость света, Шаблон:Math — энергия покоящейся частицы. Поскольку Шаблон:Math — фундаментальная постоянная, равная Шаблон:S (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 Шаблон:Nobr (точно)[3], и напротив, Шаблон:Nobr (точно)[3]. Атомная единица массы близка по значению к Шаблон:Nobr (с погрешностью около 7 %): Шаблон:Nobr, и напротив, Шаблон:Nobr[3]. Импульс элементарной частицы также может быть выражен в электронвольтах (строго говоря, в эВ/Шаблон:Math).

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 Шаблон:Nobr (массой Шаблон:Nobr) с высоты Шаблон:Nobr.

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе Шаблон:Math[5]. В температурных единицах Шаблон:Nobr соответствует Шаблон:Nobr (точно)[3] (см. постоянная Больцмана)[7].

Зависимость энергии фотона от длины волны

В электронвольтах выражают энергию квантов электромагнитного излучения (фотонов). Энергия фотонов с частотой Шаблон:Math в электронвольтах численно равна Шаблон:Math, а излучения с длиной волны Шаблон:Math — Шаблон:Math, где Шаблон:Math — постоянная Планка, а Шаблон:Math — энергия, равная одному электронвольту, выраженная в единицах той же системы единиц, что и использованная для выражения Шаблон:Math, Шаблон:Math и Шаблон:Math. Так как для ультрарелятивистских частиц, в том числе фотонов, Шаблон:Math, 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:

Шаблон:Math = Шаблон:Nobr (точно)[3] ≈ Шаблон:Nobr

Так, фотон с длиной волны Шаблон:Nobr имеет энергию Шаблон:Nobr фотон с энергией Шаблон:Nobr имеет длину волны Шаблон:Nobr 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 Шаблон:Nobr, он приобретает (или теряет) энергию Шаблон:Nobr (точно)[3], равную произведению Шаблон:Nobr на число Авогадро. Эта величина, выраженная в джоулях, численно равна постоянной Фарадея (модулю заряда Шаблон:Nobr электронов), выраженной в кулонах. Аналогично, если при химической реакции в одном моле вещества выделяется (или поглощается) энергия Шаблон:Nobr, то соответственно каждая молекула теряет (или получает) около Шаблон:Nobr.

В электронвольтах измеряется также ширина распада Шаблон:Math элементарных частиц и других квантовомеханических состояний, например ядерных энергетических уровней. Ширина распада — это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни состояния Шаблон:Math соотношением неопределённостей: Шаблон:Nobr). Частица с шириной распада Шаблон:Nobr имеет время жизни Шаблон:Nobr (точно)[3]. Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни Шаблон:Nobr имеет ширину Шаблон:Nobr (точно)[3].

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер Шаблон:Iw 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). Шаблон:Кратные и дольные единицы

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах

Энергия фотона с длиной волны Шаблон:Nobr (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 — 1Шаблон:E 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 Шаблон:Nobr[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
MP=ℏcG
1,220 890(14)Шаблон:E ГэВ[3]

Примечания

Шаблон:Примечания

Ссылки

Шаблон:ВС

  1. ↑ Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Шаблон:Wayback Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.
  2. ↑ Шаблон:БСЭ3
  3. ↑ 3,00 3,01 3,02 3,03 3,04 3,05 3,06 3,07 3,08 3,09 3,10 3,11 3,12 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Шаблон:Wayback Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  4. ↑ Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня
  5. ↑ 5,0 5,1 Шаблон:Книга
  6. ↑ Glossary Шаблон:Wayback — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics».Шаблон:Ref-en
  7. ↑ Шаблон:Cite web
  8. ↑ Шаблон:Статья
  9. ↑ Численно равна стандартной энтальпии образования воды в джоулях на моль, делённой на постоянную Авогадро и делённой на модуль заряда электрона в кулонах
  10. ↑ 10,0 10,1 10,2 Шаблон:Cite web
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 Шаблон:Cite web
  12. ↑ Шаблон:Статья Шаблон:Free access
  13. ↑ Шаблон:Cite web
  14. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — https://ru.wiki.beta.math.wmflabs.org/w/index.php?title=Электронвольт&oldid=610