Electrón-voltio

electrón-voltio
eV, eV
Valor energía
Sistema fuera del sistema
Tipo de derivado

El electrovoltio ( electronvoltio , rara vez electronvoltio ; designación rusa: eV, internacional: eV) es una unidad de energía fuera del sistema utilizada en física atómica y nuclear , en física de partículas elementales y en campos de la ciencia cercanos y relacionados ( biofísica , química física , astrofísica , etc.. P.). En la Federación Rusa , el electrón-voltio está aprobado para su uso como unidad fuera del sistema sin límite de tiempo con el alcance de la " física " [1] .

Definición

Un electronvoltio es igual a la energía necesaria para transferir una carga elemental en un campo electrostático entre puntos con una diferencia de potencial de 1 V [2] . Dado que el trabajo durante la transferencia de carga q es igual a qU (donde U  es la diferencia de potencial), y la carga elemental es 1.602 176 634⋅10 −19 C (exactamente) [3] , entonces

1 eV = 1,602 176 634⋅10 −19 J (exactamente) = 1,602 176 634⋅10 −12 erg (exactamente).

Información básica

En la física de partículas elementales , no sólo la energía E suele expresarse en electronvoltios , sino también la masa m de las partículas elementales [4] [5] . La razón de esto es el hecho de que, debido a la equivalencia de masa y energía , se cumple la relación m = E 0 / c 2 , donde c  es la velocidad de la luz , E 0 es la energía de una partícula en reposo. Dado que c  es una constante fundamental igual a 299 792 458 m / s (exactamente), que no cambia bajo ninguna condición, indicar su energía en reposo expresada en electronvoltios como característica de la masa de una partícula determina inequívocamente el valor de la masa en cualesquiera unidades tradicionales ya las incomprensiones no lleva. En unidades de masa, 1 eV = 1,782 661 921...⋅10 −36 kg (exactamente) [3] , y viceversa, 1 kg = 5,609 588 603...⋅10 35 eV (exactamente) [3] . La unidad de masa atómica tiene un valor cercano a 1 GeV (con un error de alrededor del 7%): 1 a. em _ _ _ em [3] . La cantidad de movimiento de una partícula elemental también se puede expresar en electronvoltios (estrictamente hablando, en eV/ c ).

Un electronvoltio es un valor pequeño comparado con las energías propias de la mayoría de los procesos nucleares, en esta área de la física se suelen utilizar múltiples unidades:

La última generación de aceleradores de partículas permite alcanzar varios billones de electronvoltios (tera electronvoltios, TeV). Un TeV es aproximadamente igual a la energía (cinética) de un mosquito volador [6] o la energía liberada cuando una pequeña gota de agua con un diámetro de 1 mm (masa aprox. 0,5 mg ) cae desde una altura de 3 cm .

La temperatura , que es una medida de la energía cinética promedio de las partículas, a veces también se expresa en electronvoltios, según la relación entre la temperatura y la energía de las partículas en un gas ideal monoatómico E kin = 3 ⁄ 2 kT [5] . En unidades de temperatura, 1 eV corresponde a 11.604,518 12... kelvin (exactamente) [3] (ver constante de Boltzmann ) [7] .

Los electronvoltios expresan la energía de los cuantos de radiación electromagnética ( fotones ). La energía de los fotones con una frecuencia ν en electronvoltios es numéricamente igual a h ν/ E eV , y la radiación con una longitud de onda λ  es hc /(λ E eV ) , donde h  es la constante de Planck y E eV  es la energía igual a un electrón voltio, expresado en unidades del mismo sistema de unidades que se usa para expresar h , ν y λ . Dado que para las partículas ultrarrelativistas, incluidos los fotones, λ E \u003d hc , al calcular la energía de los fotones con una longitud de onda conocida (y viceversa), a menudo es útil un factor de conversión, que es el producto de la constante de Planck y la velocidad de luz expresada en eV nm :

hc = 1239.841 984... eV nm (exactamente) [3] ≈ 1240 eV nm.

Así, un fotón con una longitud de onda de 1 nm tiene una energía de 1240 eV; un fotón con una energía de 10 eV tiene una longitud de onda de 124 nm, y así sucesivamente.

La función de trabajo del efecto fotoeléctrico externo también se mide en electronvoltios  , la energía mínima necesaria para extraer un electrón de una sustancia bajo la influencia de la luz .

En química , a menudo se usa el equivalente molar de un electrón-voltio. Si un mol de electrones o iones cargados individualmente se transfiere entre puntos con una diferencia de potencial de 1 V , gana (o pierde) energía Q = 96 485.332 12... J (exactamente) [3] , igual al producto de 1 eV y número de Avogadro . Este valor, expresado en julios, es numéricamente igual a la constante de Faraday (módulo de carga de 1 mol de electrones), expresada en colgantes. De manera similar, si durante una reacción química en un mol de una sustancia se libera (o absorbe) una energía de 96,485 kJ , entonces, en consecuencia, cada molécula pierde (o gana) alrededor de 1 eV .

El ancho de decaimiento Γ de las partículas elementales y otros estados de la mecánica cuántica, como los niveles de energía nuclear, también se mide en electronvoltios . El ancho de decaimiento es la incertidumbre de la energía del estado relacionada con el tiempo de vida del estado τ por la relación de incertidumbre : Γ = ħ / τ ). Una partícula con un ancho de decaimiento de 1 eV tiene una vida útil de 6.582 119 569...⋅10 −16 s (exactamente) [3] . De manera similar, un estado mecánico cuántico con una vida útil de 1 s tiene un ancho de 6.582 119 569...⋅10 −16 eV (exactamente) [3] .

Uno de los primeros en utilizar el término "electronvoltio" fue el físico e ingeniero estadounidense Karl Darrow en 1923 [8] .

Múltiplos y submúltiplos

En física nuclear y de alta energía , se utilizan comúnmente unidades múltiples: kiloelectronvoltios (keV, keV, 10 3 eV), megaelectronvoltios (MeV, MeV, 10 6 eV), gigaelectronvoltios (GeV, GeV, 10 9 eV) y teraelectronvoltios ( TeV, TeV, 10 12 eV). En física de rayos cósmicos , además, se utilizan petaelectronvoltios (PeV, PeV, 10 15 eV) y exaelectronvoltios (EeV, EeV, 10 18 eV). En la teoría de bandas de sólidos, física de semiconductores y física de neutrinos  - unidades submúltiplos: milielectronvoltios (meV, meV, 10 −3 eV).

múltiplos Dolnye
magnitud título designacion magnitud título designacion
10 1 eV decaelectronvolt DaeV DaeV 10 −1 eV decielectronvoltio desarrollo desarrollo
10 2 eV hectoelectronvoltio geV heV 10 −2 eV centielectronvoltio gravedad CEV
10 3 eV keV keV keV 10 −3 eV milielectronvoltio yo yo
10 6 eV megaelectronvoltio MeV MeV 10 −6 eV microelectronvoltio µeV µeV
10 9 eV gigaelectronvoltio GeV GeV 10 −9 eV nanoelectronvoltio Nevada Nevada
10 12 eV teraelectronvoltio TeV TeV 10 −12 eV picoelectronvoltio PEV PEV
10 15 eV petaelectronvoltio PEV PEV 10 −15 eV femtoelectronvoltio fiebre feV
10 18 eV exaelectronvolt EeV EEV 10 −18 eV attoelectronvolt aeV aeV
10 21 eV zettaelectronvolt ZeV ZeV 10 −21 eV zeptoelectronvoltio zeV zeV
10 24 eV yottaelectronvolt es decir YeV 10 −24 eV ioctoelectronvoltio es decir Vosotros
     recomendado para su uso      no se recomienda la aplicación

Algunos valores de energías y masas en electronvoltios

La energía de un cuanto de radiación electromagnética con una frecuencia de 1 THz 4,13 meV
Energía térmica del movimiento de traslación de una molécula a temperatura ambiente ≈0,025 eV
Energía fotónica con una longitud de onda de 1240 nm ( región del infrarrojo cercano del espectro óptico) 1,0 eV
Energía de un fotón con una longitud de onda de 500 nm (borde de colores verde y azul en el espectro visible) ≈2,5 eV
Energía de formación de una molécula de agua a partir de hidrógeno y oxígeno [9] 3,0 eV
Constante de Rydberg (casi igual a la energía de ionización de un átomo de hidrógeno ) 13.605 693 122 994(26) eV [3]
La energía de un electrón en un tubo de rayos de un televisor unos 20 keV
energías de rayos cósmicos 1 MeV — 1⋅10 21 eV
Energía típica de las partículas - productos de la descomposición nuclear
partículas alfa 2–10 MeV [10]
partículas beta 0–6 MeV [10]
cuantos gamma 0,01–5 MeV [10]
masas de partículas
Neutrino [11] La suma de las masas de los tres sabores < 0,12 eV [12]
electrón [11] 0,510 998 950 00(15) MeV [3]
Protón [11] 938.272 088 16(29) MeV [3]
bosón de Higgs 125,09 ± 0,24 GeV [13]
t-quark (la partícula elemental más pesada conocida) [11] 173,315 ± 0,485 ± 1,23 GeV [14]
masa de Planck
1.220 890(14)⋅10 19 GeV [3]

Notas

  1. ↑ Regulaciones sobre unidades de cantidades permitidas para uso en la Federación Rusa. Copia de archivo del 2 de noviembre de 2013 en Wayback Machine Aprobado por Decreto del Gobierno de la Federación Rusa del 31 de octubre de 2009 No. 879.
  2. ↑ Electronvolt // Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / cap. edición A. M. Projorov . - 3ra ed. - M.  : Enciclopedia soviética, 1969-1978.
  3. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Constantes físicas fundamentales: lista completa
  4. ↑ Informe de divulgación científica en el Presidium de la Academia Rusa de Ciencias por L. B. Okun
  5. ↑ 1 2 Electronvolt // Enciclopedia física / Cap. edición A. M. Projorov . - M .: Gran Enciclopedia Rusa , 1998. - T. 5. Dispositivos estroboscópicos - Brillo. - S. 545. - 760 pág. — ISBN 5-85270-101-7 .
  6. ↑ Glosario  - CMS Collaboration, CERN: "Electronvolt (eV): unidad de energía o masa utilizada en la física de partículas". (Inglés)
  7. ↑ Factores de conversión para equivalentes de energía
  8. ↑ Darrow KK Algunos avances contemporáneos en física  //  Bell System Technical Journal. — vol. 2(4). - P. 110. Archivado el 12 de octubre de 2014.
  9. ↑ Numéricamente igual a la entalpía estándar de formación de agua en julios por mol dividida por la constante de Avogadro y dividida por el módulo de carga de electrones en culombios
  10. ↑ 1 2 3 Catálogo de espectro de rayos gamma
  11. ↑ 1 2 3 4 Unidades de medida de distancias, energías y masas
  12. ↑ Mertens S. Direct Neutrino Mass Experiments  //  J. Phys.: Conf. Ser.. - 2016. - Vol. 718 . — Pág. 022013 . Acceso abierto
  13. ↑ ATLAS y CMS publican la medición conjunta de la masa del bosón de Higgs (enlace no disponible) . Consultado el 28 de junio de 2015. Archivado desde el original el 2 de abril de 2015. 
  14. ↑ Propiedades del quark top: resultados

Enlaces

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