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Électronvolt

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Enphysique et enchimie, l'électronvolt ouélectron-volt (au pluriel électronvolts ou électrons-volts)[a], de symboleeV, est uneunité d'énergie et parellipse, dans certaines branches de laphysique, d'autresgrandeurs physiques comme lamasse et latempérature.

Définition et usages

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La valeur de l’électronvolt est définie comme étant l'énergie cinétique acquise par unélectron accéléré depuis le repos par unedifférence de potentiel d'unvolt :1 eV = (1 e) × (1 V), oùe désigne lavaleur absolue de lacharge électrique de l'électron (oucharge élémentaire). Un électronvolt est égal à[1] :

1 eV = 1,602 176 634 × 10−19 J.

C'est une unité horsSystème international d'unités (SI), maisson usage est accepté avec lui. Sa valeur est obtenue expérimentalement.

1eV=2hαμ0cJ/C{\displaystyle 1\;\mathrm {eV} ={\sqrt {\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c}}}\;\mathrm {J/C} }

où :

h = 6,626 070 15 × 10−34 J s est laconstante de Planck ;
α = 7,297 352 566 4(17) × 10−3 (sans dimension) est laconstante de structure fine ;
μ0 = 4π × 10−7 H/m est laperméabilité magnétique duvide ;
c =2,997 924 58 × 108 m/s est lavitesse de la lumière dans le vide ;
J est le symbole dujoule ;
C est le symbole ducoulomb.

On utilise l'électronvolt notamment enphysique des particules pour exprimer lesniveaux d'énergie rencontrés dans lesaccélérateurs de particules et lafusion thermonucléaire, en physique dessemi-conducteurs pour exprimer legap de ceux-ci ou en physique des plasmas :

Sous-multiple et multiples usuels :

Autres multiples :

Dans certains documents relativement anciens, on peut voir la notation « BeV », pourbillion electronvolt (« milliard d'électronvolts ») : le BeV équivaut au GeV (gigaélectronvolt).

En chimie, certaines mesures d'énergie spécifiques, en particulier lepotentiel électrochimique, le potentiel d'extraction des éléments, l'énergie d'ionisation des atomes gazeux ou autres molécules enatomistique, l'énergie thermique des molécules, sont assez souvent exprimées eneV[b].

1 eV = 96,485 kJ/mol ou 23,06 kcal/mol

Substitution d'autres unités par l'électronvolt

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Unité de masse

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De la relation d'EinsteinE=mc2{\displaystyle E=m\,c^{2}}, on déduit :

1eVc2=1,602176634×10−19J(299792458m/s)2=1,783×10−36Js2m−2=1,783×10−36kg{\displaystyle {\frac {1\;\mathrm {eV} }{c^{2}}}={\rm {{\frac {1{,}602\,176\,634\times 10^{-19}\;J}{(299\,792\,458\;m/s)^{2}}}=1{,}783\times 10^{-36}\;J\;s^{2}\;m^{-2}=1{,}783\times 10^{-36}\;kg}}}

Par exemple, la masse de l'électron est de511 keV/c2, celle duproton de938 MeV/c2 et celle duneutron est de940 MeV/c2[2].

Dans lesystème d'unités naturelles souvent utilisé par les physiciens des particules, dans lequel on posec = 1, on omet d'écrire le « /c2 ».

Unité de quantité de mouvement

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Suivant le raisonnement précédent, on peut également utiliser l'électronvolt comme unité dequantité de mouvement, en eV/c. Là encore, lesystème d'unités naturelles permet d'écrire directement cette quantité de mouvement eneV, soit en général enGeV ou enTeV.

Unité de température

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Dans certains domaines, comme laphysique des plasmas, il peut être pratique d'utiliser l'électronvolt comme unité de température. Pour effectuer la conversion, on utilise laconstante de BoltzmannkB.

1eVkB=1,602176634×10−19J1,380649×10−23J/K=11605K{\displaystyle {\frac {1\;\mathrm {eV} }{k_{\mathrm {B} }}}={\rm {{\frac {1{,}602\,176\,634\times 10^{-19}\;J}{1{,}380\,649\times 10^{-23}\;J/K}}=11\,605\;K}}}

Par exemple, une température typique de plasma dans unefusion par confinement magnétique est de15 keV, soit174 MK (mégakelvins). La température ambiante (~20 °C) correspond à 1/40 d'électronvolt (0,025 eV).

Unité de temps

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Il arrive également que l'on mesure une durée très brève en électronvolts. En effet, d'après larelation de Heisenberg,ΔE⋅Δt ≥ ℏ2{\displaystyle \Delta E\cdot \Delta t\ {\geq }\ {\frac {\hbar }{2}}}, on peut faire correspondre un temps à une énergie, et lorsque cette durée est très petite (inférieure à l'attoseconde, soit 10−18 s), la mesure est moins significative aux yeux de l'observateur exprimée en secondes qu'en eV. La conversion s'effectue par :

ℏ21eV=1,054571818×10−34Js2×1,602176634×10−19J=3,291059784×10−16s{\displaystyle {\frac {\hbar }{2}}{\rm {{\frac {1}{eV}}={\frac {1{,}054\,571\,818\times 10^{-34}\;J\;s}{2\times 1{,}602\,176\,634\times 10^{-19}\;J}}=3{,}291\,059\,784\times 10^{-16}\;s}}}

On rencontre de telles durées notamment dans lesdemi-vies denoyaux exotiques. Par exemple, la demi-vie du8C est de230 keV, soit 1,43 × 10−21 s.

Par souci de commodité, il est fréquent d'omettre le facteur 2 dans les calculs impliquant plusieurs unités. Ainsi, la conversion devientħ/eV = 6,582 119 × 10−16 s

Unité de longueur

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Il arrive également que l'on mesure l'énergie des photons en électronvolts.

E=hcλ{\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}} soit :λ=hcE{\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{E}}}

orh la constante de Planck vaut :

h=6,62607015×10−34Js=4,135667697×10−15eVs{\displaystyle h={\rm {6{,}626\,070\,15\times 10^{-34}\;J\;s=4{,}135\,667\,697\times 10^{-15}\;eV\;s}}}

etc la vitesse de la lumière est de299 792 458 m s−1.

Donc unphoton de1 eV aura unelongueur d'onde de 1,239 841 875 µm. En pratique, on calcule une longueur d'onde de 1,24 nm pour un photon d'1 keV.

Dans les calculs impliquant plusieurs unités, il est préférable d'utiliserħ plutôt queh. La formule pour calculer la vitesse de la lumière reste une distance divisée par un temps (donc, sans ajustement par un facteur 2 π).

Notes et références

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Notes

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  1. ↑La graphie avec un trait d’union est celle de l’Académie française (électron-volt), mais elle accepte également la graphie électronvolt selon les recommandations proposées par le Conseil supérieur de la langue française. – [règle §1] Soudure des mots composés). Cette dernière forme est celle retenue par le Bureau international des poids et mesures (BIPM, page 33), par les normes ISO 80000, par les normes AFNOR et par les décretsno 75-1200 (23 décembre 1975, page 13223) et 2003-165 (27 février 2003, page 3642).
  2. ↑Le potentiel d'extraction des éléments concerne une mesure d'énergie de cohésion caractéristique des corps simples minéraux, à structure cristalline ou polycristalline. Des atomes, groupes ou plans atomiques peuvent être arrachés lors de mesures de spectrométrie UV sous vide. Les potentiels d'électrode normaux, par exemple en solution aqueuse à298 K, en électrochimie sont l'équivalent de forces électromotrices cellulaires ou de tensions caractéristiques de réactions redox exprimées en volts. Toutefois une tradition anglo-saxonne les assimile à une énergie exprimée en eV

Références

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  1. ↑Bureau international des poids et mesures,Le Système international d'unités (SI), Sèvres, BIPM,,9e éd., 216 p.(ISBN 978-92-822-2272-0,lire en ligne[PDF]),chap. 4 (« Unités en dehors du SI dont l'usage est accepté avec le SI »),p. 33.
  2. ↑R. Taillet, L. Villain et P. Febvre,Dictionnaire de physique, De Boeck Supérieur,(lire en ligne),p. 454 (table 32).

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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