Elelectronvoltio (símboloeV) es unaunidad de energía que representa la variación deenergía que experimenta unelectrón al moverse desde un punto de potencial Va hasta un punto de potencial Vb cuando la diferencia Vba = Vb-Va = 1 V, es decir, cuando ladiferencia de potencial delcampo eléctrico es de 1voltio. Su valor es 1,602 176 634 × 10−19 J.[1]
Enfísica de altas energías, el electronvoltio resulta una unidad muy pequeña, por lo que son de uso frecuente múltiplos como el megaelectronvoltio MeV o el gigaelectronvoltio GeV. En la actualidad, con los más potentesaceleradores de partículas, se han alcanzado energías del orden del teraelectronvoltio TeV (un ejemplo es elgran colisionador de hadrones, LHC, que está preparado para operar con una energía de hasta 14 teraelectronvoltios).[2] Hay objetos en nuestro universo que son aceleradores a energías aún mayores: se han detectadorayos gamma de decenas de TeV yrayos cósmicos de petaelectronvoltios (PeV, mil TeV), y hasta de decenas de exaelectronovoltios (EeV, equivalente a mil PeV).
Algunos múltiplos típicos son:
1 keV = 103 eV
1 MeV = 103 keV = 106 eV
1 GeV = 103 MeV = 109 eV
1 TeV = 103 GeV = 1012 eV
1 PeV = 103 TeV = 1015 eV
1 EeV = 103 PeV = 1018 eV
Enfísica de partículas se usa indistintamente comounidad de masa y deenergía, ya que enrelatividad ambasmagnitudes se refieren a lo mismo. La relación de Einstein,E = m·c², da lugar a una unidad de masa correspondiente aleV (despejandom de la ecuación) que se denominaeV/c².
Un electronvoltio es la cantidad de energía cinética ganada o perdida por un soloelectrón acelerando desde el reposo a través de unadiferencia de potencial eléctrico de unvoltio en el vacío. Por lo tanto, tiene un valor de unvoltio, 1 J/C, multiplicado por lacarga elemental e = 1.602176634×10−19 C. Por ende, 1 eV = 1 e × 1 V.
El electronvoltio (eV) es una unidad de energía, pero no es una unidad delSistema Internacional de Unidades. La unidad de energía del SI es el julio (J).
La unidad electronvoltio, entonces todavía conocida como el "voltio equivalente", se utilizó por primera vez en 1912 enPhilosophical Magazine en un artículo de Karel Taylor Compton y Owen Willans Richardson sobreEl efecto fotoeléctrico.[3][4]
En EE. UU., con el desarrollo de la física de partículas, se empezó a utilizar la unidad BeV (o bev o Bev), donde B representaba un billón (del inglés " billion "). En 1948, sin embargo, la IUPAP rechazó su uso y prefirió el uso del prefijo gig para mil millones de electronvoltios, por lo que la unidad se abrevia GeV.[3]
En algunas publicaciones antiguas, se usa "ev" como abreviatura de electronvoltio.[5]
El nombre del acelerador de partículasBevatron (en funcionamiento de 1954 a 1993,Berkeley, EE. UU.) se derivó de la unidad BeV. Según la misma clave, se nombró al aceleradorTevatron (1983-2011,Illinois), que aceleraba protones y antiprotones a energías de hasta 1 TeV. El nombre Zevatron se usa a veces con exageración para fuentes astrofísicas naturales de partículas con energías de hasta 1021 eV (prefijo zetta). Nunca antes se había registrado la mayor energía de una sola partícula.[6]
Por ejemplo, un electrón y unpositrón, cada uno con una masa de 0.511 MeV/c², puedenaniquilarse para producir 1,022 MeV de energía. Unprotón tiene una masa de 0,938 GeV/c². En general, las masas de todos loshadrones son del orden de 1 GeV/c², lo que hace del GeV/c2 una unidad de masa conveniente para la física de partículas:[8]
1 GeV/c² = 1.78266192×10−27 kg.
Laconstante de masa atómica (mu), una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, se aproxima a la masa de un protón. Para convertir a electronvoltio masa-equivalente, utilice la fórmula:
En determinados campos, tal como lafísica del plasma, es conveniente utilizar el electronvoltio para expresar temperaturas. El electronvoltio es dividido por laconstante de Boltzmann para convertir a laescala Kelvin:
DondekB es laconstante de Boltzmann, K es el Kelvin,la unidad de temperatura, J el Julio, la unidad de energía del SI, y eV el electronvoltio.
Por ejemplo, un plasma típico deconfinamiento magnético de fusión es 15 keV (kilo-electronvoltios), lo que es igual a 174 MK (millones de Kelvin).
En forma aproximada:kBT es 0.025 eV (≈290 K/11604 K/eV) a una temperatura de 20 °C.
En lafísica de altas energías, a menudo se utiliza el electronvoltio como unidad demomento (cantidad de movimiento). Una diferencia de potencial de 1 voltio causa que un electrón gane una cantidad de energía (o sea 1 eV). Ello da lugar al uso de eV (y keV, MeV, GeV o TeV) como unidaes de momento, porque la energía provista resulta en la aceleración de la partícula.
Las dimensiones de las unidades de momento son L1 M1 T -1. Las dimensiones de unidades de energía son L2 M1 T -2. Por lo tanto, dividiendo las unidades de energía (tales como eV) por una constante fundamental que tiene unidades de velocidad L1 T -1, facilita la conversión requerida de utilizar unidades de energía para describir momento. En el campo de la física de partículas de alta energía, la unidad de velocidad fundamental es lavelocidad de la luz en el vacíoc.
Si se divide la energía en eV por la velocidad de la luz, se puede describir el momento de un electrón en unidades de eV/c.[9][10]
La constante fundamental de velocidadc a menudo esdejada de lado de las unidades de momento mediante definir unidades de longitud tal como el valor dec es unitario. Por ejemplo, si el momentop de un electrón se dice que es de 1 GeV, por lo que la conversión a MKS se realiza como:
Enfísica de partículas, un sistema de "unidades naturales" en el cual la velocidad de la luz en el vacíoc y laconstante de Planck reducidaħ son adimensionales e iguales a la unidad es ampliamente utilizado:c =ħ = 1. En estas unidades, tanto distancias como tiempos son expresados en unidades de energía inversas (mientras que energía y masa son expresados en las mismas unidades, véaseequivalencia masa energía). En particular, laslongitudes de dispersión de partículas a menudo son presentadas en unidades de la inversa de las masas de partículas.
Fuera de este sistema de unidades, los factores de conversión entre electronvoltio, segundo y nanómetro son las siguientes:
Estas relaciones también permiten expresar lavida mediaτ de una partícula inestable (en segundos) en función de suancho de la resonancia Γ (en eV) mediante Γ =ħ/τ. Por ejemplo, elmesón B0 posee una vida media de 1.530(9) picosegundos, ancho medio de resonancia escτ = 459.7 μm, o un ancho de resonancia de 4.302 10-4 eV.
En cambio, las minúsculas diferencias de masas de los mesones responsables de lasoscilaciones de los mesones a menudo son expresadas en picosegundos inversos unidad que resulta más conveniente.
La energía expresada en electronvoltios a veces es expresada mediante la longitud de onda de la luz con fotones de la misma energía:
a menudo son presentadas en unidades de la inversa de la masa de la partícula.
El electrón voltio es una cantidad extremadamente pequeña de energía en una escala común. La energía de un mosquito volador es de aproximadamente un billón de electronvoltios.[11] Por lo tanto, la unidad es útil donde las energías típicas son muy pequeñas, es decir, en un mundo de partículas. Aquí, también, 1 eV es a menudo una energía relativamente pequeña, por lo que se utilizan múltiplos y prefijos más grandes : 1 keV es mil eV, 1 MeV es un millón de eV, 1 GeV es mil millones de eV, 1 TeV es un billón de eV. En ocasiones se utiliza la abreviatura como sigla.[12]
Elacelerador de partículas más grande (LHC) suministra a cadaprotón 7 TeV.[13] Al romper un solo núcleo de uranio235U, se liberan aproximadamente 215 MeV. [8] Al combinar un núcleo de unátomo dedeuterio con un núcleo detritio, se liberan 17,6 MeV.[14] En las pantallas de televisión en color, loselectrones son acelerados por un alto voltaje de unos 32.000voltios, de modo que los electrones adquieren una energía cinética de 32 keV. Los electronvoltios son muy adecuados para medir la energía de los enlaces químicos, son del orden de unidades o decenas de eV por unamolécula.[14] Se requieren 13,6 eV para extraer un electrón de unátomo de hidrógeno (ionización).[14] El orden de eV también tiene energías de fotones deluz visible.[14] En latermodinámica se producen energías inferiores a los electronvoltios; por ejemplo, laenergía cinética media de las partículas de aire a temperatura ambiente es de 38 meV (millielectronvoltios).[14]
Lavelocidad de un electrón con una energía cinética de 1 eV es de aproximadamente 593 km/s. La velocidad de un protón con la misma energía cinética es entonces de solo 13,8 km/s.
La magnitud del electronvoltio en unidades SI se determina midiendo la carga del electrón. El más preciso de los métodos conocidos es la medición delefecto Josephson, que determina el valor de laconstante de Josephson. La magnitud de la carga elemental se determina entonces a partir de la relación. Zde. Aquí es la constante de von Klitzing , que se mide con mayor precisión que. La desviación estándar relativa de la medición constante de Josephson es 2,5 × 10 −8 (2,5 millonésimas de porcentaje ), y la conversión de un electrón-voltio en un julio es igual de precisa.[1]
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 al electrón" (eVee, keVee, etc.) medida porluz de centelleo. Por ejemplo, el rendimiento de unfototubo se mide en phe/keVee (fotoelectróns por keV de energía equivalente al electrón). La relación entre eV, eVr y eVee depende del medio en el que tiene lugar la dispersión, y debe establecerse empíricamente para cada material.
Equipo para medir elefecto fotoeléctrico: K - cátodo , M - rejilla, A - ánodo , P - potenciómetro
En la práctica técnica, es ventajoso que para partículas con carga elemental, el cambio de energía en electronvoltios corresponda directamente al voltaje eléctrico en voltios por el cual la partícula es acelerada (o frenada). Un ejemplo es un aparato para observar unefecto fotoeléctrico externo, donde se utiliza un campo eléctrico de frenado para determinar la energía de los electrones.
La luz (u otraradiación) pasa a través de una ventana hacia un matraz vacío y golpea uncátodo para arrancar electrones de su superficie. Vuelan a través de la rejilla, golpeando elánodo y creando unacorriente eléctrica en el circuito, que medimos con un microamperímetro. Para determinar la energía de los electrones voladores, configuramos usando un potenciómetro tensión de frenado entre el cátodo y la red. Estecampo eléctrico devuelve pocos electrones de energía al cátodo y no participan en la conducción de corriente. Sin embargo, si el electrón tiene suficiente energía cinética, supera el campo de frenado y continúa hacia el ánodo. La energía cinética necesaria en electronvoltios corresponde directamente a la tensión de frenado en voltios. Por lo tanto, podemos determinar experimentalmente el valor extremo del voltaje entre el cátodo y la rejilla en el que todavía fluye una corriente a través del circuito, por ejemplo, 1,2 voltios. Esto significa que la luz suministra electrones con una energía cinética de 1,2 electronvoltios.
En la práctica, por lo tanto, a menudo comparamos el valor desconocido de la energía de la partícula directamente con el electrón-voltio y no con las unidades del sistema SI. Esta es una de las principales razones para configurar esta unidad. La imprecisión del factor de conversión entre eV y J suele ser completamente insignificante debido a errores de medición en condiciones normales de laboratorio. Además, el electrón-voltio se puede calcular con mucha más precisión que el julio según la definición del SI.
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