Βολτ ηλεκτρονίων

Ένα ηλεκτρόνιο βολτ ορίζεται ως η ενέργεια που αποκτά ένα ηλεκτρόνιο ενώ επιταχύνεται μέσω διαφοράς δυναμικού 1 βολτ στο κενό. Αυτή η μονάδα χρησιμοποιείται όταν ο υπολογισμός περιλαμβάνει στοιχειώδη σωματίδια όπως ηλεκτρόνια, πρωτόνια, φωτόνια κ.λπ. 

Ιστορικό

Ιστορικά, η μονάδα ηλεκτρονιοβολτ χρησιμοποιήθηκε σε επιταχυντές σωματιδίων λόγω της χρησιμότητάς της στην απλοποίηση της τιμής της ενέργειας των σωματιδίων. Η τιμή των περισσότερων φορτισμένων σωματιδίων ήταν πολλαπλάσιο του ηλεκτρονικού φορτίου ενός ηλεκτρονίου. Έτσι, για λόγους υπολογισμού, η τιμή της ηλεκτρονικής χρέωσης λαμβάνεται ως τυπική μονάδα. Αργότερα, η χρήση ηλεκτρονιοβολτ ήταν χρήσιμη για πολλά πεδία της φυσικής, συμπεριλαμβανομένης της σωματιδιακής φυσικής, της φυσικής υψηλής ενέργειας, της φυσικής πλάσματος κ.λπ. 

Γιατί χρησιμοποιείται το ηλεκτρον βολτ στη φυσική;

Στη σωματιδιακή φυσική, τα περισσότερα φορτισμένα σωματίδια έχουν ενέργεια πολλαπλάσιο του φορτίου ηλεκτρονίου ενός ηλεκτρονίου (λόγω ιονισμού).

Έστω λοιπόν e το φορτίο ενός ηλεκτρονίου.

Έστω Q το φορτίο ενός φορτισμένου σωματιδίου.

Δεδομένου ότι το φορτίο του σωματιδίου θα είναι ένα αναπόσπαστο πολλαπλάσιο του φορτίου ηλεκτρονίων, γράφουμε,

Q =ne

Εδώ το n είναι ένας ακέραιος αριθμός.

Για να βρούμε την ενέργεια του σωματιδίου λόγω του φορτίου του, πολλαπλασιάζουμε την τιμή του φορτίου του με την τιμή της διαφοράς δυναμικού ( V ) γύρω από το φορτισμένο σωματίδιο. Επομένως, η τιμή της ενέργειας Ε είναι,

E =QV

E =neV (αφού Q =ne)

Τώρα, έστω V ίσο με mx1, όπου m είναι το μέγεθος της διαφοράς δυναμικού.

Ως εκ τούτου, E =ne x (m x 1)

E =(n x m)x(1 x e)

Τόσο το n όσο και το m είναι βαθμωτές ποσότητες.1 και e έχουν τις διαστάσεις της διαφοράς δυναμικού και του ηλεκτρικού φορτίου αντίστοιχα. Αν πολλαπλασιάσουμε το 1 και το e θα δώσουμε τη μονάδα ενέργειας αφού W =q x V όπου w είναι έργο, q είναι το φορτίο και V είναι η διαφορά δυναμικού.

Η τιμή του e είναι, e =1,602 x 10–19. Επομένως, το 1xe θα δώσει ενέργεια eV =1,602 x 10-19 joules.

Επειδή οι n και m είναι σταθεροί αριθμοί, μπορούμε να πούμε ότι το γινόμενο τους θα είναι επίσης σταθερός αριθμός. Επομένως, έστω n x m =N. 

Από τον παραπάνω υπολογισμό, μπορούμε να πούμε ότι η συνολική ενέργεια ενός φορτισμένου σωματιδίου μπορεί να εκφραστεί ως πολλαπλάσιο του eV =1,602 x 10-19. Αυτή η τιμή του eV ονομάζεται ηλεκτρονιοβολτ.

Η μονάδα ηλεκτρονιοβολτ χρησιμοποιείται επίσης ως μονάδα μάζας, ορμής, θερμοκρασίας, χρόνου και απόστασης.

Δεδομένου ότι το ηλεκτρονικό βολτ μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την έκφραση ενέργειας σε οποιαδήποτε μορφή, ανεξάρτητα από το μέγεθός της, χρησιμοποιούμε ένα συγκεκριμένο πρόθεμα στο σύμβολο «eV» του ηλεκτρονιοβολτ. Για τις ακτίνες Χ, η ενέργεια των φωτονίων εκφράζεται σε Kilo electron volt ή «KeV». Για μονάδες ατομικής μάζας, η μάζα εκφράζεται σε μέγα ηλεκτρονιοβολτ ή «MeV».

Το ηλεκτρονιοβολτ χρησιμοποιείται επίσης για να εκφράσει το δυναμικό ιονισμού των ατόμων. Για ένα άτομο υδρογόνου, εκφράζεται ως περίπου -13,6 eV/n2. Εδώ, n είναι ο αριθμός των διακριτών ενεργειακών επιπέδων που επιτρέπονται σύμφωνα με το μοντέλο του Bohr του ατόμου υδρογόνου.

Σημείωση:Σε μεταγενέστερες μελέτες, διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν σωματίδια με φορτίο που δεν αποτελούν αναπόσπαστο πολλαπλάσιο του e. Για παράδειγμα, ένα κουάρκ με φορτίο ⅔ e.

Εφαρμογή ηλεκτρονιοβολτ (eV)

1. Ως μονάδα μάζας

Στη σωματιδιακή φυσική, η μάζα ενός σωματιδίου εκφράζεται σε μονάδες eV/c2. Η μάζα εκφράζεται συνήθως σε όρους eV χρησιμοποιώντας ένα φυσικό σύστημα με c σε 1. Αυτό είναι δυνατό ως αποτέλεσμα της ισοδυναμίας μάζας ενέργειας του τύπου E =mc2 του Αϊνστάιν.

Η τιμή 1 μονάδας ατομικής μάζας εκφρασμένη σε βολτ ηλεκτρονίων είναι,

1 u =931,4941 MeV/c2 

2. Ως μονάδα ορμής

Διαιρώντας την ενέργεια με την ταχύτητα του φωτός, μπορεί κανείς να πάρει την ορμή ενός σωματιδίου. Στη φυσική υψηλής ενέργειας, η ορμή εκφράζεται συνήθως ως ηλεκτρονιοβολτ διαιρούμενο με την ταχύτητα του φωτός.

3. Ως μονάδα απόστασης

Στη σωματιδιακή φυσική, τα μήκη σκέδασης σωματιδίων εκφράζονται συχνά σε αντίστροφες μονάδες ενέργειας, κυρίως ηλεκτρονιοβολτ. Επίσης, τα μήκη κύματος των φωτονίων εκφράζονται σε ηλεκτρονιοβολτ με ενέργεια ισοδύναμη με την ενέργεια του φωτονίου σε βολτ ηλεκτρονίων.

4. Ως μονάδα θερμοκρασίας

Στη φυσική του πλάσματος, η θερμοκρασία εκφράζεται ως βολτ ηλεκτρονίων. Εδώ, το ηλεκτρονιοβολτ διαιρείται με τη σταθερά Boltzmann Kb για να ληφθεί η θερμοκρασία στην κλίμακα Κέλβιν. 1 eV διαιρούμενο με τη σταθερά Boltzmann θα μας δώσει μια θερμοκρασία 11604,5182 K. Εξετάζοντας την τιμή της θερμοκρασίας, μπορούμε να δούμε ότι για υπολογισμούς που περιλαμβάνουν υψηλή θερμοκρασία, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη μετατροπή ηλεκτρονιοβολτ Kelvin για να απλοποιήσουμε τους υπολογισμούς.

5. Ως μονάδα χρόνου 

Κατά τη διαίρεση της σταθεράς ‘ h ‘  του Planck με ηλεκτρονιοβολτ παίρνουμε

h/(2xπxeV) =6.582 x 10-16 s

Αυτή τη φορά η σχέση eV θα μας δώσει μια σταθερά, η οποία είναι πολύ χρήσιμη σε έναν υπολογισμό που περιλαμβάνει σωματίδια με μικρό χρόνο ημιζωής.

Συμπέρασμα 

Ένα βολτ ηλεκτρονίων είναι μια μονάδα ενέργειας που έχει σημαντική εφαρμογή κυρίως στη σωματιδιακή φυσική και στη φυσική υψηλής ενέργειας. Βοηθά στην απλοποίηση των υπολογισμών και μας δίνει μια καλύτερη εικόνα για τα δεδομένα που είναι δύσκολο να αναλυθούν στην κοινή μονάδα ενέργειας (joules).

Η τιμή 1 ηλεκτρονιοβολτ είναι 1eV =1.602 x 10-19 joules.