อิเล็กตรอนโวลต์

Q: คำจำกัดความและการใช้งาน

อิเล็กตรอนโวลต์ คือปริมาณพลังงานที่ อิเล็กตรอน ตัวเดียวได้รับหรือสูญเสียไป เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่าน ความต่างศักย์ไฟฟ้า หนึ่ง โวลต์ ดังนั้นจึงมีค่าเท่ากับหนึ่ง โวลต์ ซึ่งก็คือ 1 J/C คูณด้วย ประจุพื้นฐาน e = 1.602 176 634 × 10 −19 C .

ในวิชาฟิสิกส์อิเล็กตรอนโวลต์ (สัญลักษณ์eV ) หรือเขียนอีกแบบว่าelectron-voltและelectron voltเป็นหน่วยวัดที่เทียบเท่ากับปริมาณพลังงานจลน์ ที่ อิเล็กตรอนตัวเดียวได้รับเมื่อเร่งความเร็วผ่านความต่างศักย์ไฟฟ้า 1 โวลต์ในสุญญากาศเมื่อใช้เป็นหน่วยพลังงานค่าตัวเลข 1 eV ที่แสดงในหน่วยจูล (สัญลักษณ์ J) จะเท่ากับค่าตัวเลขของประจุของอิเล็กตรอนในหน่วยคูลอมบ์ (สัญลักษณ์ C) ภายใต้การปรับปรุงระบบหน่วย SI ปี 2019กำหนดให้ 1 eV เท่ากับค่าที่แน่นอนคือ...1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ J . ^{[ 1 ]} ในอดีต อิเล็กตรอนโวลต์ถูกคิดค้นขึ้นเป็นหน่วยวัดมาตรฐานเนื่องจากมีประโยชน์ใน วิทยาศาสตร์ เครื่องเร่งอนุภาคไฟฟ้าสถิตเพราะอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าqจะได้รับพลังงานE = qVหลังจากผ่านแรงดันไฟฟ้าV

คำจำกัดความและการใช้งาน

อิเล็กตรอนโวลต์ คือปริมาณพลังงานที่อิเล็กตรอน ตัวเดียวได้รับหรือสูญเสียไป เมื่อมันเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ไฟฟ้าหนึ่งโวลต์ดังนั้นจึงมีค่าเท่ากับหนึ่งโวลต์ซึ่งก็คือ1 J/Cคูณด้วยประจุพื้นฐานe = 1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C . ^{[ 2 ]}ดังนั้น หนึ่งอิเล็กตรอนโวลต์จึงเท่ากับ1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ J . ^{[ 1 ]}

อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) เป็นหน่วยของพลังงาน แต่ไม่ใช่หน่วย SIเป็นหน่วยพลังงาน ที่ใช้กันทั่วไป ในวิชาฟิสิกส์ โดยใช้กันอย่างแพร่หลายในฟิสิกส์ของแข็ง ฟิสิกส์อะตอมฟิสิกส์นิวเคลียร์ ฟิสิกส์อนุภาค และฟิสิกส์ดาราศาสตร์พลังงานสูงโดยทั่วไปจะใช้ร่วมกับคำนำหน้า SI เช่น มิลลิ- (10⁻³ ⁾ , กิโล- (10³ ⁾ , เมกะ- ( ^10⁶ ), กิกะ- ( 10⁹ ), เท รา- ( ^10¹² ) , เพตา- ( ^10¹⁵ ), เอ็กซา - ( ^10¹⁸ ), เซตตา- ( ^10²¹ ) , ยอตตา- ( ^10²⁴ ), รอนนา- ( ^10²⁷ ) หรือเคตตา- ^(10³⁰ ) ^ตามลำดับ โดยมีสัญลักษณ์คือ meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV, EeV, ZeV, YeV, ReV และ QeV ตามลำดับ หน่วย SI ของพลังงานคือจูล (J)

ในเอกสารเก่าบางฉบับ และในชื่อBevatronจะใช้สัญลักษณ์BeV โดยที่ Bย่อมาจากพันล้าน ดังนั้น สัญลักษณ์BeVจึงเทียบเท่ากับGeVแม้ว่าทั้งสองจะไม่ใช่หน่วย SI ก็ตาม

ความสัมพันธ์กับคุณสมบัติทางกายภาพและหน่วยอื่นๆ

ปริมาณ	หน่วย	ค่า SI ของหน่วย
พลังงาน	อิเล็กตรอนโวลต์	1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹J ^{‍ [}¹^]
มวล	eV/ c²	1.782 661 921 6279 × 10 ⁻³⁶กก.
โมเมนตัม	eV/ c	5.344 285 992 6783 × 10 ⁻²⁸กก . · ม./วินาที
อุณหภูมิ	eV/ k	11 604 .518 121 55 K
เวลา	ħ /eV	6.582 119 569 5091 × 10 ⁻¹⁶วินาที
ระยะทาง	ħ c /eV	1.973 269 804 593 × 10 ⁻⁷ม.

ในสาขาฟิสิกส์ที่ใช้หน่วยอิเล็กตรอนโวลต์นั้น โดยทั่วไปแล้วปริมาณอื่นๆ จะถูกวัดโดยใช้หน่วยที่ได้มาจากอิเล็กตรอนโวลต์ โดยมักใช้ผลคูณกับค่าคงที่พื้นฐานที่มีความสำคัญในทฤษฎีนั้นๆ

มวล

ตาม หลักสมดุล ^{ระหว่าง}มวลและพลังงานอิเล็กตรอนโวลต์จะสอดคล้องกับหน่วยของมวลเป็นเรื่องปกติในฟิสิกส์อนุภาคซึ่งหน่วยของมวลและพลังงานมักจะสลับกัน โดยจะแสดงมวลในหน่วย eV/ c²โดยที่cคือความเร็วแสงในสุญญากาศ (จากE = mc² ⁾เป็นเรื่องปกติที่จะแสดงมวลอย่างไม่เป็นทางการในรูปของ eV เป็นหน่วยของมวลโดยใช้ระบบหน่วยธรรมชาติที่มีcเท่ากับ 1 ^[³^]กิโลกรัมเทียบเท่าของ 1 eV/ c² ^คือ :

$1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{kg}}\cdot {\text{m}}^{2}\cdot {\text{s}}^{-2}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.$

ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนและโพซิตรอนแต่ละตัวมีมวลเท่ากับ0.511 MeV/ c²สามารถทำลายล้างเพื่อให้ได้^{ผลลัพธ์} พลังงาน1.022 MeV โปรตอนมีมวล 1.022 MeV0.938 GeV/ c²โดยทั่วไป มวลของแฮดรอน ทั้งหมด จะมีค่าประมาณ 0.938 GeV/ ^c²1 GeV/ c²ซึ่งทำให้ GeV/ c²เป็นหน่วยมวลที่สะดวกสำหรับฟิสิกส์^{อนุภาค}^:^{[ 4 ]}

1 GeV / c² ⁼1.782 661 92 × 10 ⁻²⁷ กก .

ค่าคงที่มวลอะตอม ( mu ซึ่งเป็นหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมคาร์บอน-12 นั้น ใกล้เคียงกับมวลของโปรตอน ในการแปลงเป็นมวลเทียบเท่าอิเล็กตรอนโวลต์ ให้ใช้สูตร:

m = 1 Da =931.4941 MeV/ c ² =0.931 4941 GeV/ c ² .

โมเมนตัม

โดยการหารพลังงานจลน์ของอนุภาคในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์ด้วยค่าคงที่พื้นฐานc (ความเร็วแสง) เราสามารถอธิบายโมเมนตัม ของอนุภาค ในหน่วย eV/ cได้^{[ 5 ]}ในหน่วยธรรมชาติที่ค่าคงที่ความเร็วพื้นฐานcมีค่าเป็น 1 เราอาจละเว้นc เพื่อแสดงโมเมนตัมโดยใช้หน่วยอิเล็กตรอนโวลต์อย่างไม่เป็นทางการ

{\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}} — ความสัมพันธ์ระหว่าง พลังงานและโมเมนตัมในหน่วยธรรมชาติ $E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$ เป็นสมการพีทาโกเรียนที่สามารถมองเห็นได้ในรูปสามเหลี่ยมมุมฉาก โดยที่ พลังงานรวม $E$ คือด้านตรงข้ามมุมฉากและโมเมนตัม $p$ และมวลพักผ่อน $m_{0}$ คือ ขา 2 ข้าง

ความสัมพันธ์ระหว่าง พลังงานและโมเมนตัม $E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}$ ในหน่วยธรรมชาติ (ด้วย $c=1$ ) $E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$ เป็นสมการพีทาโกเรียนเมื่อพลังงานที่ค่อนข้างสูงถูกกระทำต่ออนุภาคที่มีมวลนิ่ง ค่อนข้างต่ำ สามารถประมาณได้ดังนี้ $E\simeq p$ ในฟิสิกส์พลังงานสูงพลังงานที่ใช้ซึ่งแสดงในหน่วย eV จะส่งผลให้การเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมมีค่าใกล้เคียงกันในเชิงตัวเลข เมื่อแสดงในหน่วยeV / c

มิติของโมเมนตัมคือT ⁻¹L MมิติของพลังงานคือT ⁻²L ²Mการหารหน่วยของพลังงาน (เช่น eV) ด้วยค่าคงที่พื้นฐาน (เช่น ความเร็วแสง) ซึ่งมีมิติของความเร็ว ( T ⁻¹L ) จะช่วยให้การแปลงหน่วยพลังงานไปใช้วัดโมเมนตัมเป็นไปได้ง่ายขึ้น

ตัวอย่างเช่น ถ้าโมเมนตัมpของอิเล็กตรอนคือ1 GeV/ cจากนั้นการแปลงเป็นระบบหน่วย MKSสามารถทำได้โดย: ${\begin{aligned}p=1\;{\text{GeV}}/c&={\frac {10^{9}\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}\\[1ex]&=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.\end{aligned}}$

ระยะทาง

ในฟิสิกส์อนุภาคระบบหน่วยธรรมชาติที่ความเร็วแสงในสุญญากาศcและค่าคงที่ของพลังค์แบบลดทอนħไม่มีมิติและเท่ากับหนึ่ง ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย: c = ħ = 1ในหน่วยเหล่านี้ ทั้งระยะทางและเวลาจะแสดงในหน่วยพลังงานผกผัน (ในขณะที่พลังงานและมวลแสดงในหน่วยเดียวกัน ดูความสมดุลระหว่างมวลและพลังงาน ) โดยเฉพาะอย่างยิ่งความยาวการกระเจิง ของอนุภาค มักจะแสดงโดยใช้หน่วยมวลอนุภาคผกผัน

นอกเหนือจากระบบหน่วยนี้ ปัจจัยการแปลงระหว่างอิเล็กตรอนโวลต์ วินาที และนาโนเมตร มีดังต่อไปนี้: $\hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .$

ความสัมพันธ์ข้างต้นยังช่วยให้สามารถแสดงอายุเฉลี่ยτของอนุภาคที่ไม่เสถียร (ในหน่วยวินาที) ในรูปของความกว้างการสลายตัว Γ (ในหน่วย eV) ผ่านΓ = ħ / τได้ ตัวอย่างเช่นB ⁰เมซอนมีอายุขัย 1.530(9) พิโควินาทีความยาวการสลายตัวเฉลี่ยคือcτ = 459.7 ไมโครเมตรหรือความกว้างของการสลายตัวเท่ากับ4.302(25) × 10 ⁻⁴ eV .

ในทางกลับกัน ความแตกต่างเล็กน้อยของมวลเมซอนที่ทำให้เกิดการสั่นของเมซอนมักจะแสดงในหน่วยที่สะดวกกว่าคือ พิโควินาทีผกผัน

พลังงานในหน่วยอิเล็กตรอนโวลต์บางครั้งแสดงออกมาในรูปของความยาวคลื่นแสง โดยใช้โฟตอนที่มีพลังงานเท่ากัน: ${\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})\times (2.99\ 792\ 458\times 10^{11}\;{\text{mm}}/{\text{s}})}}\thickapprox 806.55439\;{\text{mm}}^{-1}.$

อุณหภูมิ

ในบางสาขา เช่นฟิสิกส์พลาสมาการใช้อิเล็กตรอนโวลต์ในการแสดงอุณหภูมิเป็นเรื่องสะดวก โดยนำค่าอิเล็กตรอนโวลต์มาหารด้วยค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์เพื่อแปลงเป็นหน่วยเคลวิน : ${1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},$ โดยที่k คือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์

ค่าk จะถูกสมมติขึ้นเมื่อใช้อิเล็กตรอนโวลต์ในการแสดงอุณหภูมิ ตัวอย่างเช่น พลาสมา ฟิวชันแบบกักเก็บด้วยสนามแม่เหล็ก ทั่วไป คือ15 keV (กิโลอิเล็กตรอนโวลต์) ซึ่งเทียบเท่ากับ 174 MK (เมกะเคลวิน)

โดยประมาณ: ที่อุณหภูมิT =20 °C , k Tประมาณ0.025 eV (µ ⁠ 290 K / 11604 K/eV ⁠ )

ความยาวคลื่น

พลังงานของโฟตอนในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ในหน่วย eV

พลังงานEความถี่νและความยาวคลื่นλของโฟตอนมีความสัมพันธ์กันโดย $E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}$ โดยที่hคือค่าคงที่ของพลังค์และcคือความเร็วแสงซึ่งลดลงเหลือ^{[ 6 ]} ${\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}$ โฟตอนที่มีความยาวคลื่นแสงที่มีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตร (แสงสีเขียว) จะมีพลังงานประมาณ2.33 eVในทำนองเดียวกัน1 eVจะสอดคล้องกับโฟตอนอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่น1240 นาโนเมตรหรือความถี่241.8 เทราเฮิรตซ์

การทดลองการกระเจิง

ในการทดลองการกระเจิงนิวเคลียร์พลังงานต่ำ เป็นเรื่องปกติที่จะอ้างถึงพลังงานการกระดอนของนิวเคลียร์ในหน่วย eVr, keVrเป็นต้น ซึ่งเป็นการแยกความแตกต่างระหว่างพลังงานการกระดอนของนิวเคลียร์กับพลังงานการกระดอนเทียบเท่าอิเล็กตรอน ( eVee , keVeeเป็นต้น) ที่วัดได้จาก แสง วับวาบตัวอย่างเช่น ผลผลิตของหลอดโฟโตอิเล็กตรอนจะวัดใน หน่วย phe/keVee ( โฟโตอิเล็กตรอนต่อพลังงานเทียบเท่าอิเล็กตรอน keV) ความสัมพันธ์ระหว่าง eV, eVr และ eVee ขึ้นอยู่กับตัวกลางที่เกิดการกระเจิง และต้องกำหนดขึ้นจากประสบการณ์สำหรับแต่ละวัสดุ

การเปรียบเทียบพลังงาน

พลังงาน	แหล่งที่มา
10 เยน eV	พลังงานการรวมครั้งใหญ่โดยประมาณ
120 พีอีวี	นิวตริโนพลังงานสูงสุดที่ตรวจพบโดยกล้องโทรทรรศน์นิวตริโนKM3NeT ^{[ 10 ]}
14 TeV	พลังงานการชนกันของจุดศูนย์กลางมวลของโปรตอนที่ออกแบบไว้ในเครื่องเร่งอนุภาคขนาดใหญ่ (Large Hadron Collider) (ใช้งานที่ 3.5 TeV ตั้งแต่เริ่มใช้งานเมื่อวันที่ 30 มีนาคม 2010 และถึง 13 TeV ในเดือนพฤษภาคม 2015)
125.1 ± 0.2 GeV	พลังงานมวลนิ่งของฮิกส์โบซอนตามที่วัดโดยเครื่องตรวจจับสองเครื่องแยกกันที่LHCด้วยความแน่นอนที่ดีกว่า5 ซิกมา^{[ 11 ]}
105.7 MeV	พลังงานมวลนิ่งของมิวออน
0.511 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์	พลังงานมวลนิ่งของอิเล็กตรอน
13.6 eV	พลังงานที่จำเป็นในการทำให้ไฮโดรเจนอะตอม แตกตัวเป็นไอออน พลังงานพันธะ โมเลกุลอยู่ในระดับประมาณ 1 eVถึง10 eVต่อพันธะ
1.65 ถึง 3.26 eV	ช่วงพลังงานโฟ ตอน $({\tfrac {hc}{\lambda }})$ ของสเปกตรัมที่มองเห็นได้ตั้งแต่สีแดงถึงสีม่วง
38 meV	พลังงานจลน์เฉลี่ย ⁠ $3$ $/$ $2$ $⁠$ $k$ $B$ $T$ , ของโมเลกุลแก๊สหนึ่งโมเลกุลที่ห้อง
230 ไมโครอิเล็กตรอนโวลต์	พลังงานความร้อน k $T$ ที่ อุณหภูมิการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลัง $ของ$ จักรวาลประมาณ 2.7 เคลวิน

พลังงานโมลาร์

อนุภาค1 โมล ที่ได้รับ พลังงาน 1 eV ต่ออนุภาค จะมี พลังงานประมาณ 96.5 kJ ซึ่งสอดคล้องกับค่าคงที่ของฟาราเดย์ ( F ≈96 485 C⋅mol ⁻¹ ) โดยที่พลังงานในหน่วยจูลของอนุภาคจำนวนnโมล แต่ละอนุภาคมีพลังงานE eV เท่ากับE · F · n

ดูเพิ่มเติม

ลำดับขนาด (พลังงาน)

ลิงก์ภายนอก

ค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐานจาก NIST

[ 1 ]

[ 2 ]

[

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

ไม่มีชื่อบทความ