> Электронвольт
Узнайте, как произвести перевод электронвольт в джоули. Читайте определение электронвольт, разность потенциалов, ускоритель частиц, масса, инерция, длина волны.
Электронвольт – единица энергии, используемая в физике элементарных зарядов и электричестве.
Задача обучения
- Перевод электронвольт и единиц энергии.
Основные пункты
- Электронвольт – количество энергии, полученное или утраченное зарядом электрона, перемещающемся по одновольтной электрической разности потенциалов (1.602 × 10 -19 Дж).
- Электронвольт приобрел популярность в науке из-за экспериментов. Обычно ученые, сталкивающиеся с ускорителями электростатических частиц, применяли соотношение энергии, заряда и отличия потенциалов: E = qV.
- Электронвольт можно использовать в различных расчетах.
Термины
- Ускоритель частиц – прибор, разгоняющий частички с зарядом до невероятно высоких скоростей, чтобы индуцировать высокоэнергетические реакции и получить высокую энергию.
- Разность потенциалов – отличие в потенциальной энергии между двумя точками в электрическом поле.
- Электронвольт – единица измерения энергии субатомных частиц (1.6022 × 10 -19 Дж).
Обзор
Электронвольт (eV) выступает единицей энергии, которую используют в физике для элементарных зарядов и электричества. Речь идет о количестве энергии, которую получает или теряет заряд электрона, смещающийся по одновольтному электрическому отличию потенциалов. Нужно знать, как перевести электронвольт в джоули. Значение – 1.602 × 10 -19 Дж.
Электронвольт не входит в список официальных единиц, но стала полезной из-за применения в многочисленных экспериментах. Работающие с ускорителями частиц исследователи использовали соотношение энергии, заряда и разности потенциалов:
Все расчеты были квантованы к элементарному заряду при конкретном напряжении, из-за чего электронвольт стали использовать как единицу измерения.
Инерция
Электронвольт и импульс выступают измерениями энергии. Используя разницу потенциалов с электроном, получаем энергию, которая проявляется в перемещении электрона. У него есть масса, скорость и импульс. Если разделить электронвольт на постоянную с единицами скорости, то получим импульс.
Масса
Масса эквивалентна энергии, потому электронвольт влияет на массу. Формулу E = mc 2 можно перестроить для решения массы:
Длина волны
Энергию, частоту и длину волны связывает соотношение:
(h – постоянная Планка, c – скорость света).
В итоге, фотон с длиной волны 532 нм (зеленый свет) обладал бы энергией около 2.33 эВ. Аналогично, 1 эВ отвечал бы инфракрасному фотону, чья длина волны – 1240 нм.
Связь длины волны и энергии, выраженная в электронвольтах
Температура
В физике плазмы электронное напряжение можно применить как единицу температуры. Чтобы трансформировать в Кельвины, разделите значение 1эВ на постоянную Больцмана: 1.3806505 (24) × 10 -23 Дж/К.
Атомные ядра и составляющие их частицы очень маленькие, поэтому измерять их в метрах или сантиметрах неудобно. Физики измеряют их в фемтометрах (фм ). 1 фм = 10 –15 м, или одна квадриллионная доля метра. Это в миллион раз меньше нанометра (типичный размер молекул). Размер протона или нейтрона как раз примерно 1 фм. Существуют тяжелые частицы, размер которых еще меньше.
Энергии в мире элементарных частиц тоже слишком малы, чтоб измерять их в Джоулях. Вместо этого используют единицу энергии электронвольт (эВ ). 1 эВ, по определению, это энергия, которую приобретет электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 Вольт. 1 эВ примерно равен 1,6·10 –19 Дж. Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света, фотоны, в оптическом диапазоне имеют энергию около 1 эВ.
Явления, происходящие внутри ядер и внутри элементарных частиц, сопровождаются гораздо большими изменениями энергии. Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ ), гигаэлектронвольты (ГэВ ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ ). Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых становится заметна внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для того, чтобы родить самые тяжелые из известных на сегодня частиц - топ-кварки, - требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.
Между шкалой расстояний и шкалой энергии можно установить соответствие. Для этого можно взять фотон с длиной волны L и вычислить его энергию: E = c·h /L . Здесь c - скорость света, а h - постоянная Планка, фундаментальная квантовая константа, равная примерно 6,62·10 –34 Дж·сек. Это соотношение можно использовать не только для фотона, но и более широко, при оценке энергии, необходимой для изучения материи на масштабе L . В «микроскопических» единицах измерения 1 ГэВ отвечает размеру примерно 1,2 фм.
Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E 0 = mc 2 , масса и энергия покоя тесно взаимосвязаны. В мире элементарных частиц эта связь проявляется самым непосредственным образом: при столкновении частиц с достаточной энергией могут рождаться новые тяжелые частицы, а при распаде покоящейся тяжелой частицы разница масс переходит в кинетическую энергию получившихся частиц.
По этой причине массы частиц тоже принято выражать в электронвольтах (а точнее, в электронвольтах, деленных на скорость света в квадрате). 1 эВ соответствует массе всего в 1,78·10 –36 кг. Электрон в этих единицах весит 0,511 МэВ, а протон 0,938 ГэВ. Открыто множество и более тяжелых частиц; рекордсменом пока является топ-кварк с массой около 170 ГэВ. Самые легкие из известных частиц с ненулевой массой - нейтрино - весят всего несколько десятков мэВ (миллиэлектронвольт).
Основные сведения
Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 . 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 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
В ядерной физике и физике высоких энергий обычно используются производные единицы: килоэлектронвольты (кэВ, keV, 10 3 эВ), мегаэлектронвольты (МэВ, MeV, 10 6 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, GeV, 10 9 эВ) и тераэлектронвольты (ТэВ, TeV, 10 12 эВ). В физике космических лучей , кроме того, используются петаэлектронвольты (ПэВ, PeV, 10 15 эВ) и эксаэлектронвольты (ЭэВ, EeV, 10 18 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 | ||
| 10 1 эВ | декаэлектронвольт | даэВ | daeV | 10 −1 эВ | дециэлектронвольт | дэВ | deV |
| 10 2 эВ | гектоэлектронвольт | гэВ | heV | 10 −2 эВ | сантиэлектронвольт | сэВ | ceV |
| 10 3 эВ | килоэлектронвольт | кэВ | keV | 10 −3 эВ | миллиэлектронвольт | мэВ | meV |
| 10 6 эВ | мегаэлектронвольт | МэВ | MeV | 10 −6 эВ | микроэлектронвольт | мкэВ | µeV |
| 10 9 эВ | гигаэлектронвольт | ГэВ | GeV | 10 −9 эВ | наноэлектронвольт | нэВ | neV |
| 10 12 эВ | тераэлектронвольт | ТэВ | TeV | 10 −12 эВ | пикоэлектронвольт | пэВ | peV |
| 10 15 эВ | петаэлектронвольт | ПэВ | PeV | 10 −15 эВ | фемтоэлектронвольт | фэВ | feV |
| 10 18 эВ | эксаэлектронвольт | ЭэВ | EeV | 10 −18 эВ | аттоэлектронвольт | аэВ | aeV |
| 10 21 эВ | зеттаэлектронвольт | ЗэВ | ZeV | 10 −21 эВ | зептоэлектронвольт | зэВ | zeV |
| 10 24 эВ | йоттаэлектронвольт | ИэВ | YeV | 10 −24 эВ | йоктоэлектронвольт | иэВ | yeV |
| применять не рекомендуется | |||||||
Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах
| Тепловая энергия поступательного движения одной молекулы при комнатной температуре | 0,025 эВ |
| Энергия ионизации атома водорода | 13,6 эВ |
| Энергия электрона в лучевой трубке телевизора | Порядка 20 кэВ |
| Энергии космических лучей | 1 МэВ - 1·10 21 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 |
| Планковская масса | |
| ≈ 1,2209·10 19 ГэВ | |
Примечания
Ссылки
- Он-лайн конвертор единиц электронвольт в другие системы счислений
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Электронвольт (электрон-вольт, электроновольт) - единица измерения электрической энергии, используемая в атомной и молекулярной физике.
Как мы увидим, джоуль оказывается слишком крупной единицей для измерения энергии электронов, атомов, молекул как в атомной и ядерной физике, так и в химии и молекулярной биологии. Здесь удобнее пользоваться единицей электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов 1 В (вольт). Заряд электрона равен 1,6*10 -19 Кл, и, поскольку изменение потенциальной энергии равно qV ,
1 эВ = (1,6*10 -19 Кл)(1,0 В) =1,6*10 -19 Дж.
Электрон, ускоренный разностью потенциалов 1000 В, теряет потенциальную энергию 1000 эВ и приобретает кинетическую энергию 1000 эВ (или 1 кэВ). Если той же разностью потенциалов ускорить частицу с вдвое большим зарядом (2е = 3,2*10 -19 Кл), ее энергия изменится на 2000 эВ.
Электрон-вольт - удобная единица для измерения энергии молекул и элементарных частиц, но он не принадлежит к системе СИ. Поэтому при расчетах следует переводить электрон-вольты в джоули, пользуясь приведенным выше коэффициентом.
Электрический потенциал уединенного точечного заряда
Электрический потенциал на расстоянии r от уединенного точечного заряда Q можно получить непосредственно из формулы (24.4).
Электрическое поле точечного заряда имеет напряженность
и направлено вдоль радиуса от заряда (или к заряду, если Q
а на расстоянии r а
от Q
до точки b
на расстоянии r b
от Q
. Тогда вектор dl
параллелен Е
и dl
= dr
.
Таким образом,
Как уже говорилось, физический смысл имеет лишь разность потенциалов. Поэтому мы вправе присвоить потенциалу в какой-либо точке произвольное значение. Принято считать потенциал равным нулю на бесконечности (например, V b = 0 при r b = оо), и тогда электрический потенциал на расстоянии r от уединенного точечного заряда равен
Это электрический потенциал относительно бесконечности; он иногда называется «абсолютным потенциалом» уединенного точечного заряда. Обратим внимание на то, что потенциал V
убывает как первая степень расстояния от заряда, в то время как напряженность электрического поля убывает как квадрат расстояния.
Потенциал велик вблизи положительного заряда и убывает до нуля на очень большом расстоянии. Вблизи отрицательного заряда потенциал меньше нуля (отрицателен) и с увеличением расстояния возрастает до нуля.
Чтобы определить напряженность электрического поля системы зарядов, необходимо просуммировать напряженности полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности. Поскольку напряженность поля-вектор, такое суммирование нередко вырастает в проблему. Найти же электрический потенциал нескольких точечных зарядов гораздо проще: потенциал-скалярная величина и при сложении потенциалов не требуется учитывать направление. В этом большое преимущество электрического потенциала. Суммирование можно легко выполнить для любого числа точечных зарядов.
Продолжение следует. Коротко о следующей публикации:
Замечания и предложения принимаются и приветствуются!
Если заряж. ч-цы с единичным зарядом свою кинетич. энергию?кин=3/2kТ приобретают, пробегая U, то 3/2kT=eU,
где k - Больцмана постоянная, e - заряд эл-на.
При U=1В соответствующая темп-ра T=2e/3k =7733 К. В случае, когда величину kT выражают в эВ, значению kT=1 эВ соответствует темп-ра T»11600 К. Часто в эВ выражают массу микрочастиц на основе установленного А. Эйнштейном соотношения?=mc2 между массой m и энергией?. 1 атомная единица массы=931,5016(26) МэВ.
Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .
ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ
(эВ, eV) -внесистемная единица энергии. Применяется чаще всего для измерения энергии в физике микромира. 1 эВ-энергия, к-рую приобретает при прохождении разности потенциала в 1 В. 1 эВ= 1,60219 . 10 -19 Дж= 1,60219 . 10 -12 эрг. 1 эВ на одну частицу соответствует 23,0 ккал/моль. Значению kT=
1 эВ соответствует Т=
11600 К. Часто в эВ выражают массу микрочастиц на основе установленного А. Эйнштейном (A. Einstein) соотношения =тс
2 .
между массой т
и энергией . 1 атомная единица массы =
931,49432(28) МэВ.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Синонимы :
Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОНВОЛЬТ" в других словарях:
Внесистемная единица энергии, применяется для измерения энергии и массы микрочастиц; обозначения: эВ. 1 эВ 1,602.10 19 Дж 1,602.10 12 эрг. Кратные единицы: 1 кэВ 103 эВ, 1 МэВ 106 эВ, 1 ГэВ 109 эВ. 1 атомная единица массы соответствует 931,5 МэВ … Большой Энциклопедический словарь
- (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,… … Википедия
Внесистемная единица энергии, применяется для измерения энергии и массы микрочастиц; обозначение эВ. 1 эВ = 1,602·10 19 Дж = 1,602·10 12 эрг. Кратные единицы: 1 кэВ = 103 эВ, 1 МэВ =106 эВ, 1 ГэВ = 109 эВ. 1 атомная единица массы соответствует… … Энциклопедический словарь
электронвольт - elektronvoltas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Jonizuojančiosios spinduliuotės dalelės energijos matavimo vienetas. atitikmenys: angl. electronvolt vok. Elektronenvolt, n rus. электронвольт, m pranc. électron volt, m …
электронвольт - elektronvoltas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Nesisteminis darbo ir energijos matavimo vienetas. Vienas elektronvoltas yra energija, kurią įgyja elektronas vakuume elektriniame lauke pralėkęs vieno volto potencialų… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
электронвольт - elektronvoltas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electronvolt vok. Elektronenvolt, n rus. электронвольт, m pranc. électron volt, m … Fizikos terminų žodynas Большой энциклопедический политехнический словарь
Внесистемная единица энергии, применяется для измерения энергии и массы микрочастиц; обозначение эВ. 1 эВ = 1,602*10 19Дж=1,602 10 12 эрг. Кратные единицы: 1 кэВ=103эВ, 1 МэВ=106эВ, 1 ГэВ = 109эВ. 1 атомная единица массы соответствует 931,5 МэВ … Естествознание. Энциклопедический словарь