Электронвольт

Электронвольт (эВ, eV) — внесистемная единица измерения энергии, используемая в атомной, ядерной физике и физике элементарных частиц. Один электронвольт равен энергии, которую приобретает частица с элементарным электрическим зарядом (например, электрон или протон) при ускорении в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Электронвольт является удобной единицей для описания энергий на микроскопическом уровне, поскольку джоуль (единица СИ) для этих целей слишком велик.

Определение и численное значение

Электронвольт определяется через фундаментальные физические константы. По определению: 1 эВ = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Дж (точно, в соответствии с определением кулона и вольта в СИ).

Это значение вытекает из соотношения: энергия (E) = заряд (q) × напряжение (U). Для элементарного заряда (e ≈ 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл) и напряжения 1 В получаем: E = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл × 1 В = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Дж.

В системе СИ электронвольт не является основной единицей, но допускается к использованию наравне с единицами СИ в специальных областях. В физике высоких энергий часто применяются кратные единицы: килоэлектронвольт (1 кэВ = 10³ эВ), мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10⁶ эВ), гигаэлектронвольт (1 ГэВ = 10⁹ эВ) и тераэлектронвольт (1 ТэВ = 10¹² эВ).

История

Понятие электронвольта возникло в начале XX века в связи с развитием экспериментальной физики. В 1900-х годах учёные, изучая катодные лучи и радиоактивность, столкнулись с необходимостью измерять энергии частиц, которые были слишком малы для джоуля. Первое использование термина «электронвольт» приписывается американскому физику Уильяму Дуэйну в 1912 году, который предложил эту единицу для описания энергии рентгеновского излучения. В 1920-х годах электронвольт стал стандартной единицей в спектроскопии и ядерной физике, особенно после открытия Комптон-эффекта и развития ускорителей частиц. В 1948 году Международный союз чистой и прикладной физики (IUPAP) официально рекомендовал электронвольт как внесистемную единицу.

Соотношение с другими единицами энергии

Электронвольт легко переводится в другие единицы, используемые в физике:

• Джоуль (Дж): 1 эВ ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ Дж. Обратно: 1 Дж ≈ 6,242 × 10¹⁸ эВ.
• Эрг (эрг): 1 эВ ≈ 1,602 × 10⁻¹² эрг (в системе СГС).
• Калория (кал): 1 эВ ≈ 3,827 × 10⁻²⁰ кал (термохимическая калория).
• Килоджоуль на моль (кДж/моль): Для пересчёта в химии используется постоянная Авогадро: 1 эВ/частица ≈ 96,485 кДж/моль.
• Температура (кельвин): Через постоянную Больцмана: 1 эВ ≈ 11 604,5 К (энергия, соответствующая тепловой энергии при данной температуре).

Применение в физике

Атомная и молекулярная физика

Электронвольт широко используется для описания энергетических уровней атомов и молекул. Например, энергия ионизации атома водорода составляет 13,6 эВ — это минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от ядра. Энергии связи электронов в атомах варьируются от нескольких эВ (валентные электроны) до десятков кэВ (внутренние оболочки тяжёлых атомов). В спектроскопии длины волн фотонов часто пересчитывают в электронвольты: например, видимый свет (длина волны 400–700 нм) соответствует энергии фотонов от 1,8 до 3,1 эВ.

Ядерная физика

В ядерных реакциях энергии измеряются в МэВ и ГэВ. Типичная энергия связи нуклонов в ядре составляет около 8 МэВ на нуклон. Энергия альфа-частиц при радиоактивном распаде — от 4 до 9 МэВ. Гамма-излучение ядерных переходов имеет энергии от десятков кэВ до нескольких МэВ. Например, гамма-квант при распаде кобальта-60 имеет энергию 1,17 и 1,33 МэВ.

Физика элементарных частиц

В физике высоких энергий электронвольт — основная единица. Массы частиц часто выражают в энергетических единицах через эквивалентность массы и энергии (E = mc²):

• Масса электрона: 0,511 МэВ.
• Масса протона: 938,272 МэВ (≈ 0,938 ГэВ).
• Масса W-бозона: около 80,4 ГэВ.
• Масса бозона Хиггса: около 125,1 ГэВ.

Энергии ускорителей частиц измеряются в ТэВ: Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе разгоняет протоны до энергии 6,5 ТэВ на пучок (суммарная энергия столкновения — 13 ТэВ). Космические лучи могут иметь энергии до 10²⁰ эВ (сверхвысокие энергии, так называемые частицы О’Мира).

Химия и материаловедение

В химии электронвольт используется для описания энергии химических связей (типичные значения: 1–10 эВ на связь) и потенциалов ионизации. В физике твёрдого тела ширина запрещённой зоны полупроводников измеряется в эВ: у кремния — 1,12 эВ, у германия — 0,67 эВ, у арсенида галлия — 1,43 эВ. Это важно для проектирования электронных приборов и солнечных элементов.

Кратные и дольные единицы

Для удобства в разных областях физики применяются приставки СИ к электронвольту:

Электронвольт в повседневной жизни

Хотя электронвольт редко используется в быту, его можно соотнести с макроскопическими величинами. Например, энергия фотона видимого света (около 2 эВ) ничтожно мала по сравнению с энергией движения макроскопических тел: 1 Дж соответствует примерно 6,24 × 10¹⁸ эВ. Для сравнения, энергия, выделяемая при сгорании 1 грамма бензина, составляет около 4,5 × 10⁷ Дж, что эквивалентно примерно 2,8 × 10²⁶ эВ. В биологии энергии химических связей в молекулах АТФ (аденозинтрифосфата) составляют около 0,3 эВ на связь, что важно для метаболизма.

Критика и ограничения

Основной недостаток электронвольта — его внесистемный характер, что может вызывать путаницу при пересчёте в единицы СИ. Кроме того, в релятивистской физике энергия частицы зависит от системы отсчёта, поэтому при описании масс частиц в эВ подразумевается энергия покоя. В некоторых областях, например в астрофизике, предпочитают использовать джоули или эрги для согласованности с макроскопическими величинами. Однако в микрофизике электронвольт остаётся незаменимым благодаря удобству и наглядности.

Интересные факты

• Энергия фотона с длиной волны 1 нм (ультрафиолет) равна 1240 эВ (по формуле E = hc/λ, где h — постоянная Планка, c — скорость света). Это соотношение часто используется в спектроскопии: E (эВ) ≈ 1240 / λ (нм).
• В 2019 году, после переопределения единиц СИ, электронвольт стал точной величиной, так как элементарный заряд зафиксирован как 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл.
• Самые высокие энергии, зарегистрированные в космических лучах, достигают 3 × 10²⁰ эВ (частица «Oh-My-God»), что эквивалентно кинетической энергии бейсбольного мяча, летящего со скоростью 100 км/ч, но сосредоточено в одной субатомной частице.