電子ボルトは、電子が真空中で 1 ボルトの電位差を加速するときに獲得するエネルギーとして定義されます。この単位は、計算に電子、陽子、光子などの素粒子が含まれる場合に使用されます。
歴史
歴史的に、電子ボルトの単位は、粒子のエネルギーの値を簡略化するのに役立つため、粒子加速器で使用されていました。ほとんどの荷電粒子の値は、電子の電荷の倍数でした。そのため、計算目的では、電子料金の値が標準単位として使用されます。その後、電子ボルトの使用は、素粒子物理学、高エネルギー物理学、プラズマ物理学などを含む多くの物理学分野で役立ちました。
なぜ電子ボルトが物理学で使われるのですか?
素粒子物理学では、ほとんどの荷電粒子は電子の電子電荷の倍数のエネルギーを持っています (電離による)。
電子の電荷を e とします。
荷電粒子の電荷を Q とします。
粒子の電荷は電子電荷の整数倍になるので、次のように書きます
Q =ネ
ここで n は整数です。
電荷による粒子のエネルギーを求めるには、その電荷の値に荷電粒子の周囲の電位差 (V) の値を掛けます。したがって、エネルギー E の値は、
E =QV
E =neV (Q =ne であるため)
ここで、V を mx1 に等しくします。ここで、m は電位差の大きさです。
したがって、E =ne x (m x 1)
E =(n x m)x(1 x e)
n と m はどちらもスカラー量です。1 と e はそれぞれ電位差と電荷の次元を持ちます。 1 と e を掛けると、W =q x V であるため、エネルギーの単位が得られます。ここで、w は仕事、q は電荷、V は電位差です。
e の値は、e =1.602 x 10–19 です。したがって、1xe はエネルギー eV =1.602 x 10-19 ジュールを与えます。
n と m は定数なので、その積も定数になると言えます。したがって、n x m =N とします。
上記の計算から、荷電粒子の総エネルギーはeV の倍数 =1.602 x 10-19。この eV の値を電子ボルトと呼びます。
電子ボルトの単位は、質量、運動量、温度、時間、距離の単位としても使用されます。
電子ボルトは、その大きさに関係なく、あらゆる形式のエネルギーを表すために使用できるため、電子ボルトの記号「eV」に特定の接頭辞を使用します。 X 線の場合、光子のエネルギーはキロ電子ボルトまたは「KeV」で表されます。原子質量単位の場合、質量はメガ電子ボルトまたは「MeV」で表されます。
電子ボルトは、原子のイオン化ポテンシャルを表すためにも使用されます。水素原子の場合、約 -13.6 eV/n2 と表されます。ここで、n は水素原子のボーア モデルに従って許容される離散エネルギー準位の数です。
注:後の研究で、e の整数倍ではない電荷を持つ粒子があることがわかりました。たとえば、2/3 e の電荷を持つクォーク。
電子ボルト (eV) の適用
1.質量の単位として
素粒子物理学では、粒子の質量は eV/c2 の単位で表されます。質量は一般に、c を 1 に設定した自然系を使用して eV で表されます。これは、アインシュタインの式 E =mc2 の質量エネルギー等価の結果として可能です。
電子ボルトで表した 1 原子質量単位の値は、
1 u =931.4941 MeV/c2
2.勢いの単位として
エネルギーを光速で割ると、粒子の運動量を得ることができます。高エネルギー物理学では、運動量は通常、電子ボルトを光速で割った形で表されます。
3.距離の単位として
素粒子物理学では、粒子の散乱長は逆エネルギー単位、主に電子ボルトで表されることがよくあります。また、光子の波長は、電子ボルトで表した光子のエネルギーと同等のエネルギーを持つ電子ボルトで表されます。
4.温度の単位として
プラズマ物理学では、温度は電子ボルトで表されます。ここで、電子ボルトをボルツマン定数 Kb で割り、ケルビン スケールで温度を求めます。 1 eV をボルツマン定数で割ると、11604.5182 K の温度が得られます。温度の値を見ると、高温を伴う計算ではケルビン電子ボルト変換を使用して計算を簡素化できることがわかります。
5.時間の単位として
プランク定数「 h 」を電子ボルトで割ると、次のようになります
h/(2xπxeV) =6.582 x 10-16 s
今度は eV の関係から定数が得られます。これは、半減期の短い粒子を含む計算に非常に役立ちます。
結論
電子ボルトはエネルギーの単位で、主に素粒子物理学と高エネルギー物理学で重要な用途があります。これは計算を簡素化するのに役立ち、一般的なエネルギー単位 (ジュール) で分析するのが難しいデータをよりよく理解するのに役立ちます。
1 電子ボルトの値は 1eV =1.602 x 10-19 ジュールです。
