En física , un electronvoltio (símbolo eV , también escrito electrón-voltio y electrón-voltio ) es la medida de una cantidad de energía cinética ganada por un solo electrón que acelera desde el reposo a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío . Cuando se utiliza como unidad de energía , el valor numérico de 1 eV en julios (símbolo J) equivale 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 exacto1,602 176 634 × 10 −19 J . [1]
Históricamente, el electronvoltio se ideó 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 una 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 multiplicado por el voltaje.
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 tanto, tiene un valor de un voltio ,1 J/C , multiplicado por la carga elemental e = 1,602 176 634 × 10 −19 C . [2] Por lo tanto, un electronvoltio es igual a1,602 176 634 × 10 −19 J . [1]
El electronvoltio (eV) es una unidad de energía, pero no es una unidad SI . Es una unidad de energía común dentro de la física, ampliamente utilizada en física del estado sólido , atómica , nuclear y de partículas , y en astrofísica de altas energías . Se utiliza comúnmente con los prefijos SI mili-, kilo-, mega-, giga-, tera-, peta- o exa- (meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV y EeV respectivamente). La unidad de energía del SI es el julio (J).
En algunos documentos más antiguos, y en el nombre Bevatron , se utiliza el símbolo BeV, donde la "B" significa mil millones . Por tanto, el símbolo BeV equivale a GeV.
Por equivalencia masa-energía , el electronvoltio corresponde a una unidad de masa . Es común en física de partículas , donde las unidades de masa y energía a menudo se intercambian, expresar la masa en unidades de eV/ c 2 , donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc 2 ). Es común expresar informalmente la masa en términos de eV como unidad de masa , utilizando efectivamente un sistema de unidades naturales con c establecido en 1. [3] El equivalente en kilogramo de1 eV/ c 2 es:
Por ejemplo, un electrón y un positrón , cada uno con una masa de0,511 MeV/ c 2 , se puede aniquilar para producir1.022 MeV de energía. Un protón tiene una masa de0,938 GeV/ c2 . En general, las masas de todos los hadrones son del orden de1 GeV/ c 2 , lo que hace que el GeV/ c 2 sea una unidad de masa conveniente para la física de partículas: [4]
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 electronvoltios equivalentes en masa, use la fórmula:
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 . [5] En unidades naturales en las que la constante de velocidad fundamental c es numéricamente 1, c puede omitirse informalmente para expresar el impulso como electronvoltios.
La relación de impulso de energía.
en unidades naturales (con )
es una ecuación pitagórica . Cuando se aplica una energía relativamente alta a una partícula con masa en reposo relativamente baja , se puede aproximar como en la física de altas energías, de modo que una energía aplicada en unidades de eV resulta convenientemente en un cambio de impulso aproximadamente equivalente en unidades de eV/ c . .
Las dimensiones de las unidades de momento son T −1 L M . Las dimensiones de las unidades de energía son T −2 L 2 M . Dividir las unidades de energía (como eV) por una constante fundamental (como la velocidad de la luz) que tiene unidades de velocidad ( T −1 L ) facilita la conversión requerida para usar unidades de energía para describir el momento.
Por ejemplo, si se dice que el momento p de un electrón es1 GeV , entonces la conversión al sistema de unidades MKS se puede lograr mediante:
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:
Las relaciones anteriores también permiten expresar la vida media τ de una partícula inestable (en segundos) en términos de su ancho de desintegración Γ (en eV) vía Γ = ħ / τ . Por ejemplo, el
B0
El mesón tiene una vida útil de 1.530(9) picosegundos , la longitud media de desintegración es cτ =459,7 μm , o un ancho de caída de(4,302 ± 25) × 10 −4 eV .
Por el contrario, las pequeñas diferencias de masa de los mesones responsables de las oscilaciones de los mesones a menudo se expresan en los picosegundos inversos, 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:
En determinados 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 :
donde k B es la constante de Boltzmann .
El k B se supone cuando se utiliza el electronvoltio para expresar la temperatura; por ejemplo, un plasma de fusión por confinamiento magnético típico es15 keV (kiloelectronvoltio), que equivale a 174 MK (megakelvin).
Como aproximación: k B T es aproximadamente0,025 eV (≈290 mil/11604 K/eV) a una temperatura de20 ºC .
La energía E , la frecuencia v y la longitud de onda λ de un fotón están relacionadas por
donde h es la constante de Planck , c es la velocidad de la luz . Esto se reduce a [6]
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 en electrones" (eVee, keVee, etc.) medido por luz de centelleo . Por ejemplo, el rendimiento de un fototubo se mide en phe/keVee ( fotoelectrones por keV de energía equivalente a un electrón). La relación entre eV, eVr y eVee depende del medio en el que se produce la dispersión y debe establecerse empíricamente para cada material.
Un mol de partículas con 1 eV de energía tiene cada una aproximadamente 96,5 kJ de energía; esto corresponde a la constante de Faraday ( F ≈96 485 C⋅mol −1 ), donde la energía en julios de n moles de partículas cada una con energía E eV es igual a E · F · n .
![{\displaystyle {\begin{aligned}E\mathrm {(eV)} &=4.135\,667\,516\times 10^{-15}\,\mathrm {eV{\cdot }s} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 93\,{\text{eV}}{\cdot }{\text{nm}}}{\lambda }}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e658073d333e70726e7968f4a915c19a1cc7d3c4)