Electronvoltio

Unidad de energia

meV, keV, MeV, GeV, TeV y PeV redireccionan aquí. Para otros usos, consulte MEV , KEV , GEV , TEV y PEV .

En física , un electronvoltio (símbolo eV , también escrito electronvoltio y electronvoltio ) es la cantidad de energía cinética ganada por un solo electrón que acelera desde el reposo a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío. Cuando se utiliza como unidad de energía , el valor numérico de 1 eV en julios (símbolo J) es equivalente al valor numérico de la carga de un electrón en culombios (símbolo C). Según la redefinición de 2019 de las unidades base del SI , esto establece 1 eV igual al valor exacto1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ J. ^[1]

Históricamente, el electronvoltio se ideó como una unidad estándar de medida por su utilidad en las ciencias de los aceleradores de partículas electrostáticos , porque una partícula con carga eléctrica q tiene una energía E = qV después de pasar por el potencial V ; si q se expresa en unidades enteras de la carga elemental y el potencial en voltios , se obtiene una energía en eV.

Es una unidad de energía común dentro de la física, ampliamente utilizada en física de estado sólido , atómica , nuclear y de partículas . Se usa comúnmente con los prefijos métricos mili-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- o exa- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV y EeV respectivamente). En algunos documentos más antiguos, y en el nombre Bevatron , se usa el símbolo BeV, que significa mil millones (10 ⁹ ) electronvoltios; es equivalente al GeV.

Medición	Unidad	Valor SI de la unidad
Energía	eV	1,602 176 634 × 10 −19  J
Masa	eV / c 2	1,782 662 × 10 −36  kg
Impulso	eV / c	5.344 286 × 10 −28  kg · m / s
Temperatura	eV / k B	1.160 451 812 × 10 4  K
Hora	ħ / eV	6.582 119 × 10 −16  s
Distancia	ħc / eV	1.973 27 × 10 −7  m

Definición

Un electronvoltio es la cantidad de energía cinética ganada o perdida por un solo electrón que acelera desde el reposo a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío. Por tanto, tiene un valor de un voltio ,1 J / C , multiplicado por la carga elemental del electrón e ,1.602 176 634 × 10 ^-19  C . ^[2] Por lo tanto, un electronvoltio es igual a1.602 176 634 × 10 ^-19  J . ^[3]

El electronvoltio, a diferencia del voltio, no es una unidad SI . El electronvoltio (eV) es una unidad de energía, mientras que el voltio (V) es la unidad SI derivada de potencial eléctrico. La unidad SI de energía es el joule (J).

Misa

Por equivalencia masa-energía , el electronvoltio también es una unidad de masa . Es común en la física de partículas , donde las unidades de masa y energía se intercambian a menudo, expresar la masa en unidades de eV / c ² , donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc 2 ). Es común expresar simplemente la masa en términos de "eV" como una unidad de masa , utilizando efectivamente un sistema de unidades naturales con c establecido en 1. ^[4] El equivalente de masa de1 eV / c ² es

${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot 1\;{\text{V}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}})^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$

Por ejemplo, un electrón y un positrón , cada uno con una masa de0.511 MeV / c ² , puede aniquilarse para ceder1.022 MeV de energía. El protón tiene una masa de0,938 GeV / c ² . En general, las masas de todos los hadrones son del orden de1 GeV / c ² , lo que convierte al GeV (gigaelectronvoltio) en una unidad de masa conveniente para la física de partículas:

1 GeV / c ² =1,782 661 92 × 10 ⁻²⁷  kg .

La unidad de masa atómica unificada (u), casi exactamente 1 gramo dividido por el número de Avogadro , es casi la masa de un átomo de hidrógeno , que es principalmente la masa del protón. Para convertir a electronvoltios, use la fórmula:

1 u = 931,4941 MeV / c ² =0,931 4941  GeV / c ² .

Momentum

En física de altas energías , el electronvoltio se utiliza a menudo como unidad de impulso . Una diferencia de potencial de 1 voltio hace que un electrón gane una cantidad de energía (es decir,1 eV ). Esto da lugar al uso de eV (y keV, MeV, GeV o TeV) como unidades de impulso, ya que la energía suministrada da como resultado la aceleración de la partícula.

Las dimensiones de las unidades de impulso son T ^-1 L M . Las dimensiones de las unidades de energía son T ^-2 L ² M . Luego, dividir las unidades de energía (como eV) por una constante fundamental que tiene unidades de velocidad ( T ⁻¹ L ), facilita la conversión requerida de usar unidades de energía para describir el momento. En el campo de la física de partículas de alta energía, la unidad de velocidad fundamental es la velocidad de la luz en el vacío c .

Al dividir la energía en eV por la velocidad de la luz, se puede describir la cantidad de movimiento de un electrón en unidades de eV / c . ^{[5] [6]}

La constante de velocidad fundamental c a menudo se elimina de las unidades de momento mediante la definición de unidades de longitud de manera que el valor de c sea ​​la unidad. Por ejemplo, si se dice que el momento p de un electrón es1 GeV , entonces la conversión a MKS se puede lograr mediante:

${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\cdot (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}\cdot {\text{m}}/{\text{s}}.}$

Distancia

En física de partículas , se utiliza ampliamente un sistema de "unidades naturales" en el que la velocidad de la luz en el vacío cy la constante de Planck reducida ħ son adimensionales e iguales a la unidad: c = ħ = 1 . En estas unidades, tanto las distancias como los tiempos se expresan en unidades de energía inversa (mientras que la energía y la masa se expresan en las mismas unidades, ver equivalencia masa-energía ). En particular, las longitudes de dispersión de partículas se presentan a menudo en unidades de masas de partículas inversas.

Fuera de este sistema de unidades, los factores de conversión entre electronvoltio, segundo y nanómetro son los siguientes:

${\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ {\mbox{J s}}=6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ {\mbox{eV s}}.}$

Las relaciones anteriores también permiten expresar la vida media τ de una partícula inestable (en segundos) en términos de su ancho de desintegración Γ (en eV) a través de Γ = ħ / τ . Por ejemplo, el mesón B 0 tiene una vida útil de 1.530 (9)  picosegundos , la longitud media de desintegración es cτ =459,7 μm , o un ancho de desintegración de(4,302 ± 25) × 10 ⁻⁴  eV .

Por el contrario, las pequeñas diferencias de masa de mesones responsables de las oscilaciones de mesones a menudo se expresan en los picosegundos inversos más convenientes.

La energía en electronvoltios a veces se expresa a través de la longitud de onda de la luz con fotones de la misma energía:

${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\cdot (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}\cdot {\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$

Temperatura

En ciertos campos, como la física del plasma , es conveniente utilizar el electronvoltio para expresar la temperatura. El electronvoltio se divide por la constante de Boltzmann para convertirlo a la escala Kelvin :

${\displaystyle {1 \over k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J/eV}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K/eV}}.}$

Donde k _B es la constante de Boltzmann , K es Kelvin, J es Joules, eV es electronvoltios.

Se asume k _B cuando se usa el electronvoltio para expresar la temperatura, por ejemplo, un plasma de fusión de confinamiento magnético típico es15 keV (kiloelectronvoltios), lo que equivale a 170 MK (millones de Kelvin).

Como aproximación: k _B T es aproximadamente0,025 eV (≈290 K/11604 K / eV) a una temperatura de 20 ° C .

Propiedades

Energía de fotones en el espectro visible en eV

Gráfico de longitud de onda (nm) a energía (eV)

La energía E , la frecuencia v y la longitud de onda λ de un fotón están relacionadas por

${\displaystyle {\begin{aligned}E=h\nu &={\frac {hc}{\lambda }}\\[4pt]&={\frac {(4.135\ 667\ 516\times 10^{-15}\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{s}})(299\ 792\ 458\,{\mbox{m/s}})}{\lambda }}\end{aligned}}}$

donde h es la constante de Planck , c es la velocidad de la luz . Esto se reduce a ^[1]

${\displaystyle {\begin{aligned}E{\mbox{(eV)}}&=4.135\ 667\ 516\,{\mbox{feVs}}\cdot \nu \ {\mbox{(PHz)}}\\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 93\,{\mbox{eV}}\,{\mbox{nm}}}{\lambda \ {\mbox{(nm)}}}}.\end{aligned}}}$

Un fotón con una longitud de onda de 532 nm (luz verde) tendría una energía de aproximadamente2,33 eV . Similar,1 eV correspondería a un fotón infrarrojo de longitud de onda1240 nm o frecuencia241,8 THz .

Experimentos de dispersión

En un experimento de dispersión nuclear de baja energía, es convencional referirse a la energía de retroceso nuclear en unidades de eVr, keVr, etc. Esto distingue la energía de retroceso nuclear de la energía de retroceso "equivalente a electrones" (eVee, keVee, etc.) medido con luz de centelleo . Por ejemplo, el rendimiento de un fototubo se mide en phe / keVee ( fotoelectrones por keV de energía equivalente a un electrón). La relación entre eV, eVr y eVee depende del medio en el que se produce la dispersión y debe establecerse empíricamente para cada material.

Comparaciones de energía

Frecuencia de fotones frente a partícula de energía en electronvoltios . La energía de un fotón varía solo con la frecuencia del fotón, relacionada con la velocidad de la luz constante. Esto contrasta con una partícula masiva cuya energía depende de su velocidad y masa en reposo . ^{[7] [8] [9]} Leyenda

γ: rayos gamma	MIR: infrarrojo medio	HF: Alta frecuencia.
HX: radiografías duras	FIR: Infrarrojo lejano	MF: frecuencia media.
SX: Rayos X suaves	Ondas de radio	LF: frecuencia baja.
EUV: ultravioleta extrema	EHF: Frecuencia extremadamente alta.	VLF: Frec. Muy baja.
NUV: casi ultravioleta	SHF: Frec. Súper alta.	VF / ULF: Frecuencia de voz
Luz visible	UHF: ultra alta frecuencia .	SLF: frecuencia superbaja.
NIR: infrarrojo cercano	VHF: Frec. Muy alta.	ELF: Frecuencia extremadamente baja.
		Freq: frecuencia

Energía	Fuente
5,25 × 10 32  eV	energía total liberada por un dispositivo de fisión nuclear de 20  kt
1,22 × 10 28  eV	la energía de Planck
10 Y eV (1 × 10 25  eV )	energía de gran unificación aproximada
~ 624 E eV (6.24 × 10 20  eV )	energía consumida por una sola bombilla de 100 vatios en un segundo (100 W =100 J / s ≈6.24 × 10 20  eV / s )
300 E eV (3 × 10 20  eV = ~50  J )	[10] la llamada partícula Oh-My-God (la partícula de rayos cósmicos más enérgica jamás observada)
2 PeV	dos petaelectronvoltios, el neutrino de mayor energía detectado por el telescopio de neutrinos IceCube en la Antártida [11]
14 TeV	diseñó la energía de colisión del centro de masa de protones en el Gran Colisionador de Hadrones (operado a 3,5 TeV desde su inicio el 30 de marzo de 2010, alcanzó los 13 TeV en mayo de 2015)
1 TeV	un billón de electronvoltios, o 1,602 × 10 −7  J , aproximadamente la energía cinética de un mosquito volador [12]
172 GeV	energía en reposo del quark top , la partícula elemental más pesada medida
125,1 ± 0,2 GeV	energía correspondiente a la masa del bosón de Higgs , medida por dos detectores separados en el LHC con una certeza mejor que 5 sigma [13]
210 MeV	energía promedio liberada en la fisión de un átomo de Pu-239
200 MeV	energía promedio aproximada liberada en los fragmentos de fisión de fisión nuclear de un átomo de U-235 .
105,7 MeV	energía de reposo de un muón
17,6 MeV	energía promedio liberada en la fusión de deuterio y tritio para formar He-4 ; esto es0.41 PJ por kilogramo de producto producido
2 MeV	energía promedio aproximada liberada en un neutrón de fisión nuclear liberado por un átomo de U-235 .
1,9 MeV	energía de reposo del quark up , el quark de masa más baja.
1 MeV (1,602 × 10 −13  J )	aproximadamente el doble de la energía en reposo de un electrón
1 a 10 keV	temperatura térmica aproximada , en sistemas de fusión nuclear , como el núcleo del sol , plasma confinado magnéticamente , confinamiento inercial y armas nucleares${\displaystyle k_{B}T}$
13,6 eV	la energía necesaria para ionizar el hidrógeno atómico ; Las energías de enlace molecular son del orden de1 eV a10 eV por bono
1,6 eV a3.4 eV	la energía fotónica de la luz visible
1,1 eV	energía requerida para romper un enlace covalente en silicio${\displaystyle E_{g}}$
720 meV	energía requerida para romper un enlace covalente en germanio${\displaystyle E_{g}}$
< 120 meV	energía en reposo aproximada de los neutrinos (suma de 3 sabores) [14]
25 meV	energía térmica , a temperatura ambiente; una molécula de aire tiene una energía cinética promedio${\displaystyle k_{B}T}$ 38 meV
230 μeV	energía térmica , del fondo cósmico de microondas${\displaystyle k_{B}T}$

Por mole

Un mol de partículas con 1 eV de energía tiene aproximadamente 96,5 kJ de energía; esto corresponde a la constante de Faraday ( F ≈96 485  C mol ⁻¹ ), donde la energía en julios de n moles de partículas cada una con energía E eV es igual a E · F · n .

Ver también

• Órdenes de magnitud (energía)

Referencias

1. "Valor CODATA: constante de Planck en eV s" . Archivado desde el original el 22 de enero de 2015 . Consultado el 30 de marzo de 2015 .
2. "Valor CODATA 2018: carga elemental" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
3. "Valor CODATA 2018: electronvoltio" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
4. Barrow, JD "Unidades naturales antes de Planck". Revista trimestral de la Royal Astronomical Society 24 (1983): 24.
5. "Unidades en física de partículas" . Kit de herramientas del Instituto de Maestros Asociados . Fermilab. 22 de marzo de 2002. Archivado desde el original el 14 de mayo de 2011 . Consultado el 13 de febrero de 2011 .
6. "Relatividad especial" . Centro de visitantes virtual . SLAC. 15 de junio de 2009 . Consultado el 13 de febrero de 2011 .
7. ¿Qué es la luz? Archivado el 5 de diciembre de 2013 en la Wayback Machine -Diapositivas de conferencias de UC Davis
8. Elert, Glenn. "Espectro electromagnético, el hipertexto de física" . hypertextbook.com. Archivado desde el original el 29 de julio de 2016 . Consultado el 30 de julio de 2016 .
9. "Definición de bandas de frecuencia en" . Vlf.it. Archivado desde el original el 30 de abril de 2010 . Consultado el 16 de octubre de 2010 .
10. Preguntas abiertas en física. Archivado el 8 de agosto de 2014 en elSincrotrón de electrones alemán Wayback Machine . Un centro de investigación de la Asociación Helmholtz. Actualizado en marzo de 2006 por JCB. Original de John Baez.
11. "Una creciente señal de neutrinos astrofísicos en IceCube ahora presenta un neutrino 2-PeV" . Archivado desde el original el 19 de marzo de 2015.
12. Glosario Archivado el 15 de septiembre de 2014 en Wayback Machine - Colaboración CMS, CERN
13. ATLAS ; CMS (26 de marzo de 2015). "Medición combinada de la masa del bosón de Higgs en colisiones pp en √s = 7 y 8 TeV con los experimentos ATLAS y CMS" . Cartas de revisión física . 114 (19): 191803. arXiv : 1503.07589 . Código Bibliográfico : 2015PhRvL.114s1803A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.114.191803 . PMID 26024162 . 
14. Mertens, Susanne (2016). "Experimentos directos de masa de neutrinos". Journal of Physics: Serie de conferencias . 718 (2): 022013. arXiv : 1605.01579 . Código bibliográfico : 2016JPhCS.718b2013M . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 718/2/022013 . S2CID 56355240 .  

Enlaces externos

• Definición de BIPM del electronvoltio
• referencia de constantes físicas; Datos CODATA