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 ).
В Российской Федерации электронвольт допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «физика».

Определение 
Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в . Так как работа при переносе заряда  равна  (где  — разность потенциалов), а элементарный заряд составляет  (точно), то

  (точно).

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

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 или энергии, выделяющейся при падении маленькой капли воды диаметром в  (массой ) с высоты .

Температура, которая является мерой средней кинетической энергии частиц, тоже иногда выражается в электронвольтах, исходя из соотношения температуры и энергии частиц в одноатомном идеальном газе . В температурных единицах  соответствует  (точно) (см. постоянная Больцмана).

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

  =  (точно) ≈ 

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

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

Одним из первых термин «электронвольт» применил американский физик и инженер  в 1923 году.

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 твердого тела, физике полупроводников и физике нейтрино — дольные единицы: миллиэлектронвольты (мэВ, meV, 10−3 эВ).

Некоторые значения энергий и масс в электронвольтах

Примечания

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

Единицы измерения энергии в физике
Единицы измерения массы в физике
Единицы измерения температуры в физике
Единицы измерения импульса
Единицы измерения в физике элементарных частиц