Elektronvolt

Izvor: Wikipedia

Elektronvolt (eV) je mjerna jedinica za energiju, korištena u atomskoj i molekularnoj fizici. Definirana je kao kinetička energija koju primi elektron kada je ubrzan električnim poljem kroz potencijalnu razliku od 1 V (volt) u vakuumu. Po tome, 1 V (1 džul / kulon) pomnožen S elementarnim nabojem (1 e ili 1,60217653(14)×10-19 C) daje 1 eV, koji je jednak 1,60217653(14)×10-19 J.[1] Historijski, elektronvolt je smišljen kao jedinica mjere zbog svoje korisnosti u radu s akceleratorom čestica, jer elementarna čestica s nabojem q ima energiju E = q x V, nakon prolaska kroz razliku potencijala V, pa ako se elementarni naboj prikazuje s e, a potencijal s V, onda se energija izražava s eV.

1 eV = 1.602×10-19 J (džula). Elektronvolti su prikladni za mjerenje energije čestica i elektromagnetskog zračenja. Energija X-zraka se izražava u elektronvoltima.

Kao i kod ostalih mjernih jedinica, rabe se izvedene jedinice s prefiksima mjernih jedinica:

  • 1 keV = 1.000 eV
  • 1 MeV = 1.000.000 eV
  • 1 GeV = 1.000.000.000 eV
  • 1 TeV = 1.000.000.000.000 eV

Elektronvolt nije osnovna mjerna jedinica u međunarodnom sustavu mjernih jedinica i njena vrijednost se mora dobiti pokusima. Ona se dosta koristi u fizici, pogotovo atomska fizika, nuklearna fizika i fizika elementarnih čestica.

U kemiji, obično se kinetička energija izražava u jednom molu elektrona (6,02214179(30) × 1023) koji prolazi kroz potencijal od 1 volt. To je jednako 96,48534(2) kJ/mol. Energija ionizacije se isto izražava u elektronvoltima.

Kao jedinica energije[uredi - уреди]

  • 1 eV = 1,602176487(40)×10-19 J
  • 1 eV (po atomu) = 96,485 kJ/mol [2]

Za usporedbu:

  • ~624 EeV (6,24 x 1020 eV): energija potrebna za jednu 100 W električnu žarulju u jednoj sekundi (100 W = 100 J/s = 6,24 x 1020 eV/s)
  • 300 EeV (3 x 1022 eV) : kozmičke zrake s najvećom energijom ikad snimljene [3]
  • 14 TeV (14 x 1012 eV) : energija potrebna za sudaranje protona u velikom hadronskom sudaraču
  • 1 TeV (1 x 1012 eV = 1,602×10−7 J) otprilike kinetička energija jednog letećeg komarca [4]
  • 210 MeV (2,1 x 108 eV): prosječna energija oslobođena nuklearnom fisijom jednog atoma plutonija Pu-239.
  • 200 MeV (2,1 x 108 eV): ukupna prosječna energija oslobođena nuklearnom fisijom jednog atoma uranija U-235.
  • 17,6 MeV (1,76 x 107 eV): ukupna prosječna energija oslobođena nuklearnom fuzijom deuterija i tricija kod dobivanja helija He-4.
  • 13,6 eV: energija potrebna za ionizaciju atoma vodika. Molekularne kovalentne veze imaju energiju veze reda veličine 1 eV po molekuli.
  • 1,6 do 3,4 eV: energija jednog fotona vidljive svjetlosti
  • 0,0375 eV: prosječna kinetička energija jedne molekule zraka na sobnoj temperaturi

Kao jedinica količine gibanja[uredi - уреди]

U fizici elementarnih čestica elektronvolt se često koristi kao jedinica da se izrazi količina gibanja p. Razlika potencijala od 1 volt uzrokuje da elektron dobije količinu energije od jedan elektronvolt. U fizici elementarnih čestica jedna od osnovnih jedinica brzine je brzina svjetlosti u vakuumu, tako da djeljenjem energije u eV s brzinom svjetlosti u vakuumu c, količina gibanja se može opisati s eV/c. [5] [6]

Na primjer, ako je količina gibanja p elektrona recimo 1 GeV, onda se dobije:

p = 1\; GeV/c = \frac{(1 \times 10^{9}) \times (1,60217646 \times 10^{-19} \; C)\;\cdot\; V}{(2,99792458 \times 10^{8}\; m/s)} = 5,344286\times 10^{-19}\; kg\cdot m/s

Kao jedinica mase[uredi - уреди]

Prema ekvivalenciji mase i energije, elektrovolt se može izraziti i kao jedinica mase. Uobičajeno je u fizici elementarnih čestica, gdje se masa i energija mogu često izjednačiti, da se koristi eV/c2, gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu.

Na primjer, reakcija elektrona i pozitrona. Pozitron s masom 0,511 MeV/c2 može anihilirati (proces u kojem se čestica sudara sa svojom antičesticom) da bi se dobilo 1.022 MeV energije. Proton ima masu od 0,938 GeV/c2 , tako da je gigaelektronvolt veoma uobičajena jedinica za masu kod elementarnih čestica.

1 GeV/c2 = 1,783×10−27 kg

Atomska jedinica mase podijeljena s Avogadrovim brojem je skoro masa atoma vodika, koja je skoro i masa jednog protona.

1 atomska jedinica mase - Da = 931,46 MeV/c2 = 0.93146 GeV/c2
1 MeV/c2 = 1,074×10−3 Da (Dalton)

Kao jedinica temperature[uredi - уреди]

EV to nm vis.png

U nekim područjima, kao što je fizika plazme, uobičajeno je elektronvolt upotrebljavati kao jedinicu temperature. Da bismo pretvorili u K (Kelvin) koristi se Boltzmannova konstanta:

{1 \mbox{ eV} \over k_{\mathrm{B}}} = {1,602\,176\,53(14) \times 10^{-19} \mbox{ J} \over 1,380\,6505(24) \times 10^{-23} \mbox{ J/K}} = 11\,604,505(20) \mbox{ K}.

Na primjer, tipična energija magnetskog samoodržanja fuzije plazme je 15 keV, ili 170 MK (170 000 000 K).

Svojstva fotona[uredi - уреди]

Energija fotona u spektru vidljive svijetlosti

Energija E, frekvencija ν, i valna dužina λ fotona su u odnosu:

E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}=\frac{(4,135 667 33\times 10^{-15}\,\mbox{eV}\,\mbox{s})(299\,792\,458\,\mbox{m/s})}{\lambda}

Gdje je h Planckova konstanta, c je brzina svjetlosti u vakuumu. Za brzi proračun može poslužiti formula:

E\mbox{(eV)}\approx\frac{1240\,\mbox{eV}\,\mbox{nm}}{\lambda\ \mbox{(nm)}}

Na primjer, foton valne dužine 532 nm (zeleno svjetlo) ima energiju otprilike 2,33 eV. Ili, 1 eV odgovara infracrvenom fotonu valne dužine 1240 nm.

Izvori[uredi - уреди]

  1. SI brochure, Sec. 4.1 Table 7
  2. Atkins physical chemistry 9th edition
  3. Open Questions in Physics. German Electron-Synchrotron. A Research Centre of the Helmholtz Association. Updated March 2006 by JCB. Original by John Baez.
  4. CERN - Glossary
  5. "Units in particle physics". Associate Teacher Institute Toolkit. Fermilab. 22 March 2002. http://quarknet.fnal.gov/toolkits/ati/whatgevs.html. pristupljeno 13 February 2011. 
  6. "Special Relativity". Virtual Visitor Center. SLAC. 15 June 2009. http://www2.slac.stanford.edu/vvc/theory/relativity.html. pristupljeno 13 February 2011.