Electronvoltio

En física, un electronvoltio (símbolo eV, también escrito electron-voltio y electronvoltio) es la medida de una cantidad de energía cinética ganada por un solo electrón acelerando desde el reposo a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío. Cuando se usa como unidad de energía, el valor numérico de 1 eV en joules (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 básicas del SI, esto establece 1 eV igual al valor exacto 1,602176634×10⁻¹⁹ J.

Históricamente, el electronvoltio se concibió como una unidad de medida estándar debido a su utilidad en las ciencias de los aceleradores de partículas electrostáticas, porque una partícula con carga eléctrica q gana energía E = qV después de pasar por un voltaje de V. Dado que q debe ser un múltiplo entero de la carga elemental e para cualquier partícula aislada, la energía ganada en unidades de electronvoltios es convenientemente igual a ese número entero por el voltaje.

Es una unidad de energía común dentro de la física, ampliamente utilizada en la física del estado sólido, atómica, nuclear y de partículas, y en la astrofísica de alta energía. Se usa comúnmente con los prefijos SI 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 (10⁹) electronvoltios; es equivalente al GeV.

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 lo tanto, tiene un valor de un voltio, 1 J/C, multiplicado por la carga elemental e = 1.602176634×10⁻¹⁹ C. Por lo tanto, un electrónvoltio es igual a 1,602176634×10⁻¹⁹ J.

El electronvoltio (eV) es una unidad de energía, pero no es una unidad SI. La unidad SI de energía es el joule (J).

Relación con otras propiedades físicas y unidades

Masa

Por equivalencia masa-energía, el electronvoltio corresponde a una unidad de masa. Es común en la física de partículas, donde las unidades de masa y energía a menudo se intercambian, expresar la masa en unidades de eV/c², donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc2). Es común expresar de manera informal la masa en términos de eV como unidad de masa, utilizando efectivamente un sistema de unidades naturales con c establecido en 1. El kilogramo equivalente a 1 eV/c² es:

1eV/c2=()1.602176634× × 10− − 19C)× × 1V()299792458m/s)2=1.78266192× × 10− − 36kg.{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}f}fnMicros}fnMicrosoft Sans}fnMicrosoft SanscfnMicrosoft Sans#}fnMicrosoft Sans#}fnMicrosoft.

Por ejemplo, un electrón y un positrón, cada uno con una masa de 0,511 MeV/c², puede aniquilarse para producir 1,022 MeV de energía. Un protón tiene una masa de 0,938 GeV/c² . En general, las masas de todos los hadrones son del orden de 1 GeV/c², lo que convierte al GeV/c² en una unidad de masa conveniente para la física de partículas:

La constante de masa atómica (m_u), una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, está cerca de la masa de un protón. Para convertir a equivalente de masa de electronvoltios, use la fórmula:

Impulso

Al dividir la energía cinética de una partícula en electronvoltios por la constante fundamental c (la velocidad de la luz), se puede describir el momento de la partícula en unidades de eV/c. En unidades naturales en las que la constante de velocidad fundamental c es numéricamente 1, la c puede omitirse informalmente para expresar el momento como electronvoltios.

La relación energética-momentum en unidades naturales, E2=p2+m02{displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0} {2}, es una ecuación pitagórica que se puede visualizar como un triángulo derecho donde la energía total E{displaystyle E} es la hipotenusa y el impulso p{displaystyle p} y descansar masa m0{displaystyle # son las dos piernas.

La relación energía-momento

E2=p2c2+m02c4{displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0} {2}c^{4}

en unidades naturales (con c=1{displaystyle c=1})

E2=p2+m02{displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0} {2}

es una ecuación pitagórica. Cuando se aplica una energía relativamente alta a una partícula con masa de reposo relativamente baja, se puede aproximar como E≃ ≃ p{displaystyle Esimeq p} en física de alta energía tal que una energía aplicada en unidades de eV convenientemente resulta en un cambio aproximadamente equivalente de impulso en unidades de eV/c.

Las dimensiones de las unidades de impulso son T⁻¹LM. Las dimensiones de las unidades de energía son T⁻²L²M. Dividir las unidades de energía (como eV) por una constante fundamental (como la velocidad de la luz) que tiene unidades de velocidad (T ⁻¹L) facilita la conversión requerida para usar unidades de energía para describir impulso.

Por ejemplo, si se dice que el momento p de un electrón es 1 GeV, entonces la conversión al sistema de unidades MKS se puede lograr mediante:

p=1GeV/c=()1× × 109)× × ()1.602176634× × 10− − 19C)× × ()1V)2.99792458× × 108m/s=5.344286× × 10− − 19kg⋅ ⋅ m/s.{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f}fnMicrosoft Sans}fnMicrosoft Sans}fnMicrosoft Sans#fnMicrosoft Sans#

Distancia

En física de partículas, se utiliza ampliamente un sistema de unidades naturales en el que la velocidad de la luz en el vacío c y 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 a menudo se presentan 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:

▪ ▪ =1.054571817646× × 10− − 34J⋅ ⋅ s=6.582119569509× × 10− − 16eV⋅ ⋅ s.{displaystyle hbar =1.054 571 817 646times 10^{-34}mathrm {J{cdot}s} =6.582 119 569 509times 10^{-16}mathrm {eV{cdot }s}}}

Las relaciones anteriores también permiten expresar el tiempo de vida medio τ de una partícula inestable (en segundos) en términos de su ancho de decaimiento Γ (en eV) a través de Γ = ħ/τ. Por ejemplo, el mesón B0 tiene una vida útil de 1.530(9) picosegundos, la longitud media de decaimiento es cτ = 459,7 μm, o un ancho de caída de (4.302±25)×10⁻⁴ eV.

Por el contrario, las diminutas diferencias de masa de mesones responsables de las oscilaciones de mesones a menudo se expresan en picosegundos inversos, que son 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:

1eVhc=1.602176634× × 10− − 19J()2.99792458× × 1010cm/s)× × ()6.62607015× × 10− − 34J⋅ ⋅ s).. 8065.5439cm− − 1.{fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}

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:

1eV/kB=1.602176634× × 10− − 19J1.380649× × 10− − 23J/K=11604.51812K,{displaystyle {1{text{f} {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft {f} {fnMicrosoft{f}} {fnMicrosoft {fnMicrosoft {fnMicrosoft{f}f}ffnKfnMicrosoft {f}\f}f}f}fnMinMicro {\fnMicrom}fnMicro {f}\fnMicrom}fnMicrom}fnMicrom}\\\\fnMicrom}\\\\fnMinMicrom}fnKfnMinMicrom}\fnMicrom}fnMicrom}\fnMicrosoft {\fnMinMinMicrosoft {\\\fnMicro {\fnMicrosoft {fnMin EV}/k_{text{B}}}={1.602 176 634times 10^{-19}{text{ J}}over 1.380 649times 10^{-23}{text{ J/K}}=11 604.518 12{text{ K}}}} }

donde k_B es la constante de Boltzmann.

Se asume k_B cuando se usa el electronvoltio para expresar la temperatura, por ejemplo, un plasma de fusión de confinamiento magnético típico es 15 keV (kiloelectronvoltio), que es igual a 174 MK (megakelvin).

Como una aproximación: k_BT se trata de 0.025 eV (≈ 290 K/11604 K/eV) a una temperatura de 20 °C.

Longitud de onda

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

E=h.. =hcλ λ =4.135667516× × 10− − 15eV⋅ ⋅ s× × 299792458m/sλ λ {displaystyle E=hnu ={frac {hc}{lambda }={frac {4.135,667,516times 10^{-15},mathrm {eV{cdot}s} times 299,792,458,mathrm {m/s} ♫{lambda }

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

E()eV)=4.135667516× × 10− − 15eV⋅ ⋅ s× × .. =1239.84193eV⋅ ⋅ nmλ λ .{displaystyle {begin{aligned}Emathrm {(eV)} <=4.135,667,516times 10^{-15},mathrm {cdot}s} times nu \[4pt] quedarse={1 239.841 93,{texteV} }}.

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 del "equivalente de electrones" energía de retroceso (eVee, keVee, etc.) medida por luz de centelleo. Por ejemplo, el rendimiento de un fototubo se mide en phe/keVee (fotoelectrones por keV de energía equivalente a electrones). 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 vs. partículas de energía en electronvolts. La energía de un fotón varía sólo con la frecuencia del fotón, relacionada con la velocidad de la constante de luz. Esto contrasta con una partícula masiva de la que la energía depende de su velocidad y masa de reposo. Leyenda

γ: rayos gamma	MIR: Mid infrared	Alto freq.
HX: radiografías duras	FIR: Far infrared	MF: Freq mediano.
SX: Rayos X suaves	Ondas de radio	LF: Bajo freq.
EUV: Extrema ultravioleta	EHF: Freq extremadamente alto.	Muy bajo.
NUV: Cerca de ultravioleta	Súper alta freq.	VF/ULF: Voz freq.
Luz visible	UHF: Freq ultra alto.	SLF: Freq súper bajo.
NIR: Near Infrared	Freq muy alto.	ELF: Freq extremadamente bajo.
		Freq: Frecuencia

Energy	Fuente
5.25×1032eV	energía total liberada de un dispositivo de fisión nuclear de 20 kt
12.2 ReV ()1.22×1028eV)	la energía Planck
10 YeV1×1025eV)	Energía de unificación aproximada
~624 EeV ()6.24×1020eV)	energía consumida por una sola bombilla de 100 vatios en un segundo (100 W = 100 J/s. 6.24×1020eV/s)
300 EeV ()3×1020eV =50 J)	La primera partícula cósmica ultra-alta-energía observada, la llamada partícula Oh-Mi-Dios.
2 PeV	dos petaelectronvolts, el neutrino de mayor energía detectado por el telescopio neutrino IceCube en la Antártida
14 TeV	diseño de la energía de colisión de centro de masa en el Gran Colisionador de Hadrones (operado en 3.5 TeV desde su inicio el 30 de marzo de 2010, alcanzó 13 TeV en mayo de 2015)
1 TeV	un trillón electronvolts, o 1.602×10−7J, sobre la energía cinética de un mosquito volador
172 GeV	energía de reposo del quark superior, la partícula elemental más pesada
125.1±0.2 GeV	energía correspondiente a la masa del bosón Higgs, medida por dos detectores separados en el LHC a una certeza mejor que 5 sigma
210 MeV	energía media liberada en fisión de un átomo Pu-239
200 MeV	Energía media aproximada liberada en fragmentos de fisión nuclear de un átomo U-235.
105.7 MeV	energía de reposo de un muón
17.6 MeV	energía promedio liberada en la fusión nuclear de deuterio y tritio para formar He-4; esto es 0.41 PJ por kilogramo de producto producido
2 MeV	Energía media aproximada liberada en un neutrón de fisión nuclear liberado de un átomo U-235.
1.9 MeV	energía de reposo de quark, el quark de masa más bajo.
1 MeV ()1.602×10−13J)	alrededor del doble de la energía restante de un electron
1 a 10 keV	Temperatura térmica aproximada, kBT{displaystyle K_{text{B}T}, en sistemas de fusión nuclear, como el núcleo del sol, plasma confinado magnéticamente, confinamiento inercial y armas nucleares
13.6 eV	la energía necesaria para ionizar hidrógeno atómico; energías de unión molecular están en el orden 1 eV a 10 eV por bono
1.6 eV a 3.4 eV	la energía de fotones de luz visible
1.1 eV	energía Eg{displaystyle E_{g} requerido para romper un vínculo covalente en silicona
720 meV	energía Eg{displaystyle E_{g} requerido para romper un vínculo covalente en germanio
. 120 meV	energía de reposo aproximada de neutrinos (sumo de 3 sabores)
25 meV	energía térmica, kBT{displaystyle K_{text{B}T}, a temperatura ambiente; una molécula de aire tiene una energía cinética promedio 38 meV
230 μeV	energía térmica, kBT{displaystyle K_{text{B}T}, del fondo de microondas cósmico

Por mol

Un mol de partículas que recibe 1 eV de energía cada una tiene aproximadamente 96,5 kJ de energía; esto corresponde a la constante de Faraday (F ≈ 96485 C⋅mol⁻¹), donde la energía en joules de n moles de partículas cada una con energía E eV es igual a E·F·n.