Электронвольт

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»<ref>Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации. Шаблон:Wayback Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. № 879.</ref>.

Определение

Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в Шаблон:Nobr<ref name="БСЭ">Шаблон:БСЭ3</ref>. Так как работа при переносе заряда Шаблон:Math равна Шаблон:Math (где Шаблон:Math — разность потенциалов), а элементарный заряд составляет Шаблон:Nobr (точно)<ref name="CODATA allascii">http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Шаблон:Wayback Fundamental Physical Constants — Complete Listing</ref>, 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<ref>Научно-популярный доклад на Президиуме РАН Л. Б. Окуня</ref><ref name="ФЭ5">Шаблон:Книга</ref>. 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)<ref name="CODATA allascii" />, и напротив, Шаблон:Nobr (точно)<ref name="CODATA allascii" />. Атомная единица массы близка по значению к Шаблон:Nobr (с погрешностью около 7 %): Шаблон:Nobr, и напротив, Шаблон:Nobr<ref name="CODATA allascii" />. 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<ref>Glossary Шаблон:Wayback — CMS Collaboration, CERN: «Electronvolt (eV): A unit of energy or mass used in particle physics».Шаблон:Ref</ref> 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<ref name="ФЭ5"/>. В температурных единицах Шаблон:Nobr соответствует Шаблон:Nobr (точно)<ref name="CODATA allascii"/> (см. постоянная Больцмана)<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Файл:EV to nm vis-ru.svg

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)<ref name="CODATA allascii"/> ≈ 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)<ref name="CODATA allascii"/>, 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)<ref name="CODATA allascii"/>. Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни Шаблон:Nobr имеет ширину Шаблон:Nobr (точно)<ref name="CODATA allascii"/>.

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер Шаблон:Iw в 1923 году<ref>Шаблон:Статья</ref>.

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).

Кратные				Дольные
величина	название	обозначение		величина	название	обозначение
101 эВ	10−1 эВ
102 эВ	10−2 эВ
103 эВ	10−3 эВ
106 эВ	10−6 эВ
109 эВ	10−9 эВ
1012 эВ	10−12 эВ
1015 эВ	10−15 эВ
1018 эВ	10−18 эВ
1021 эВ	10−21 эВ
1024 эВ	10−24 эВ
1027 эВ	10−27 эВ
1030 эВ	10−30 эВ Шаблон:Кратные и дольные единицы/Единица {{ #ifexpr: 3 > 3 or 30 < 30 or 3 > 3 or 30 < 30 | Шаблон:Кратные и дольные единицы/Легенда | Шаблон:Кратные и дольные единицы/Легенда }}

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<ref>Численно равна стандартной энтальпии образования воды в джоулях на моль, делённой на постоянную Авогадро и делённой на модуль заряда электрона в кулонах</ref>	3,0 эВ
Постоянная Ридберга (почти равна энергии ионизации атома водорода)	13,605 693 122 994(26) эВ<ref name="CODATA allascii" />
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 <ref name="Spectrum Catalogue">Шаблон:Cite web</ref>
бета-частицы	0—6 МэВ <ref name="Spectrum Catalogue"/>
гамма-кванты	0,01—5 МэВ <ref name="Spectrum Catalogue"/>
Массы частиц
Нейтрино<ref name="collider2">Шаблон:Cite web</ref>	Сумма масс всех трёх ароматов Шаблон:Nobr<ref>Шаблон:Статья Шаблон:Free access</ref>
Электрон<ref name="collider2" />	0,510 998 950 00(15) МэВ<ref name="CODATA allascii" />
Протон<ref name="collider2" />	938,272 088 16(29) МэВ<ref name="CODATA allascii" />
Бозон Хиггса	125,09 ± 0,24 ГэВ<ref>Шаблон:Cite web</ref>
t-кварк (самая тяжёлая из известных элементарных частиц)<ref name="collider2" />	173,315 ± 0,485 ± 1,23 ГэВ<ref>Шаблон:Cite web</ref>
Планковская масса
<math>M_P = \sqrt{\frac{\hbar c}{G}}</math>	1,220 890(14)Шаблон:E ГэВ<ref name="CODATA allascii" />

Ссылки

• CODATA: Fundamental Physical Constants — Complete Listing
• Онлайн-конвертор единиц электронвольт в другие системы счислений