إلكترون فولت

إلكترون فولت
نظام الوحدة	وحدة غير مقبولة في النظام الدولي للوحدات
وحدة من	طاقة
رمز	إلكترون فولت
التحويلات
1 إلكترون فولت في ...	... يساوي ...
جول (النظام الدولي للوحدات)	1.602 × 10 −19  جول . [1]

في الفيزياء ، فولت إلكترون (الرمز eV )، ويُكتب أيضًا إلكترون فولت وإلكترون فولت ، هو مقياس لكمية الطاقة الحركية التي يكتسبها إلكترون واحد يتسارع عبر فرق جهد كهربائي يبلغ فولت واحد في الفراغ . عند استخدامه كوحدة للطاقة ، فإن القيمة العددية لـ 1 إلكترون فولت بالجول (الرمز J) تساوي القيمة العددية لشحنة الإلكترون بالكولوم ( الرمز C). بموجب المراجعة لعام 2019 للنظام الدولي للوحدات ، فإن هذا يجعل 1 إلكترون فولت مساويًا للقيمة الدقيقة1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  جول . ^[1]

تاريخيًا ، تم ابتكار الفولت الإلكتروني كوحدة قياس قياسية من خلال فائدته في علوم مسرع الجسيمات الكهروستاتيكية ، لأن الجسيم الذي يحمل شحنة كهربائية q يكتسب طاقة E = qV بعد المرور عبر جهد V.

فولت الإلكترون هو مقدار الطاقة التي يكتسبها أو يفقدها إلكترون واحد عندما يتحرك عبر فرق جهد كهربائي يبلغ فولت واحد . وبالتالي، فإن قيمته تساوي فولت واحد ، وهو1 J/C مضروبًا في الشحنة الأولية e  = 1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C . ^[2] لذلك، فإن إلكترون فولت واحد يساوي1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  جول . ^[1]

إلكترون فولت (eV) هي وحدة طاقة، ولكنها ليست وحدة من وحدات النظام الدولي للوحدات . وهي وحدة طاقة شائعة الاستخدام في الفيزياء، وتستخدم على نطاق واسع في فيزياء الحالة الصلبة والذرية والنووية والجسيمات والفيزياء الفلكية عالية الطاقة . تُستخدم عادةً مع بادئات النظام الدولي للوحدات ملي- (10 ^-3 ) أو كيلو- (10 ³ ) أو ميجا- ( 10 ⁶ ) أو جيجا- (10 9) أو تيرا- ⁽ 10 12 ) ^أو بيتا- (10 ¹⁵ ) أو إكسا- (10 ¹⁸ )، والرموز الخاصة بها هي ميجا إلكترون فولت، وكيلو إلكترون فولت، وميجا إلكترون فولت، وتيرا إلكترون فولت، وبيلا إلكترون فولت، وإي إي إل إل. وحدة النظام الدولي للوحدات للطاقة هي الجول (J).

في بعض الوثائق القديمة، وفي اسم Bevatron ، تم استخدام الرمز BeV ، حيث يرمز B إلى المليار . وبالتالي فإن الرمز BeV يعادل GeV ، على الرغم من أن أيًا منهما ليس وحدة من وحدات النظام الدولي للوحدات.

كمية	وحدة	قيمة الوحدة في النظام الدولي للوحدات
طاقة	إلكترون فولت	1.602 176 634 × 10 −19  جول [ 1]
كتلة	إلكترون فولت/ ثانية 2	1.782 661 92 × 10 −36  كجم
دَفعَة	إلكترون فولت/ ث	5.344 285 99 × 10 −28  كجم·م/ث
درجة حرارة	إلكترون فولت/ ك ب	11 604 .518 12  ك
وقت	هـ / إلكترون فولت	6.582 119 × 10 −16  ثانية
مسافة	هك /إلكترون فولت	1.973 27 × 10 −7  م

في مجالات الفيزياء التي يستخدم فيها الإلكترون فولت، يتم عادة قياس كميات أخرى باستخدام وحدات مشتقة من الإلكترون فولت كمنتج مع ثوابت أساسية ذات أهمية في النظرية يتم استخدامها غالبًا.

من خلال تكافؤ الكتلة والطاقة ، يتوافق إلكترون فولت مع وحدة كتلة . من الشائع في فيزياء الجسيمات ، حيث يتم تبادل وحدات الكتلة والطاقة غالبًا، التعبير عن الكتلة بوحدات إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة ، حيث c هي سرعة الضوء في الفراغ (من E = mc ² ). من الشائع التعبير بشكل غير رسمي عن الكتلة من حيث إلكترون فولت كوحدة كتلة ، باستخدام نظام من الوحدات الطبيعية مع ضبط c على 1. ^[3] المكافئ بالكيلوغرام1 إلكترون فولت/ ثانية ^مربعة هو:

$${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{C}})\times 1\,{\text{V}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$$

على سبيل المثال، الإلكترون والبوزيترون ، كل منهما له كتلة مقدارها0.511 ميجا إلكترون فولت/ ^ثانية ، يمكن أن تفنى لتعطي1.022 ميجا إلكترون فولت من الطاقة. البروتون له كتلة تساوي0.938 GeV/ c ² . بشكل عام، تكون كتل جميع الهادرونات من رتبة1 GeV/ c ² ، مما يجعل GeV/ c ² وحدة ملائمة للكتلة في فيزياء الجسيمات: ^[4]

ثابت الكتلة الذرية ( m _u )، وهو واحد على اثني عشر من كتلة ذرة الكربون-12، قريب من كتلة البروتون. لتحويله إلى مكافئ كتلة إلكترون فولت، استخدم الصيغة:

من خلال قسمة الطاقة الحركية للجسيم بوحدة الإلكترون فولت على الثابت الأساسي c (سرعة الضوء)، يمكننا وصف زخم الجسيم بوحدات eV/ c . ^[5] في الوحدات الطبيعية حيث يكون ثابت السرعة الأساسي c يساوي 1 عدديًا، يمكن حذف c بشكل غير رسمي للتعبير عن الزخم باستخدام وحدة الإلكترون فولت.

العلاقة بين الطاقة والزخم في الوحدات الطبيعية (مع ) هي معادلة فيثاغورس . عندما يتم تطبيق طاقة عالية نسبيًا على جسيم ذي كتلة سكون منخفضة نسبيًا ، يمكن تقريبها كما هو الحال في فيزياء الطاقة العالية بحيث تؤدي الطاقة المطبقة مع المعبر عنها بوحدة إلكترون فولت بسهولة إلى تغيير مكافئ عدديًا تقريبًا في الزخم عند التعبير عنها بوحدة إلكترون فولت/ ثانية . $${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$${\displaystyle c=1}$$${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$${\displaystyle E\simeq p}$

البعد الخاص بالزخم هو T ⁻¹ L M. البعد الخاص بالطاقة هو T ⁻² L ² M. إن قسمة وحدة الطاقة (مثل إلكترون فولت) على ثابت أساسي (مثل سرعة الضوء) له بعد السرعة ( T ⁻¹ L ) يسهل التحويل المطلوب لاستخدام وحدة الطاقة لقياس الزخم.

على سبيل المثال، إذا كانت زخم الإلكترون p هو1 GeV/ c ، ومن ثم يمكن تحقيق التحويل إلى نظام وحدات MKS من خلال:$${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot}{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

في فيزياء الجسيمات ، يستخدم على نطاق واسع نظام من الوحدات الطبيعية حيث تكون سرعة الضوء في الفراغ c وثابت بلانك المختزل ħ بلا أبعاد ومساويان للواحد: c = ħ = 1. في هذه الوحدات، يتم التعبير عن كل من المسافات والأوقات بوحدات طاقة عكسية (بينما يتم التعبير عن الطاقة والكتلة بنفس الوحدات، انظر تكافؤ الكتلة والطاقة ). على وجه الخصوص، غالبًا ما يتم تقديم أطوال تشتت الجسيمات باستخدام وحدة كتلة الجسيم العكسية.

خارج نظام الوحدات هذا، تكون عوامل التحويل بين إلكترون فولت، والثانية، والنانومتر على النحو التالي: $${\displaystyle \hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \ ماثرم {eV{\cdot }s} .}$$

تسمح العلاقات المذكورة أعلاه أيضًا بالتعبير عن متوسط ​​عمر τ لجسيم غير مستقر (بالثواني) من حيث عرض اضمحلاله Γ (بالإلكترون فولت) عبر Γ = ħ / τ . على سبيل المثال،
ب⁰
يبلغ عمر  الميزون 1.530(9) بيكو ثانية ، ومتوسط ​​طول الاضمحلال هو cτ =459.7 ميكرومتر ، أو عرض اضمحلال يبلغ4.302(25) × 10 ⁻⁴  إلكترون فولت .

وعلى العكس من ذلك، فإن الاختلافات الطفيفة في كتلة الميزون المسؤولة عن تذبذبات الميزون يتم التعبير عنها غالبًا في بيكو ثانية عكسية أكثر ملاءمة.

يتم التعبير عن الطاقة بوحدة الإلكترون فولت في بعض الأحيان من خلال الطول الموجي للضوء باستخدام فوتونات لها نفس الطاقة: $${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{11}\;{\text{mm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 806.55439\;{\text{mm}}^{-1}.}$$

في بعض المجالات، مثل فيزياء البلازما ، من المناسب استخدام فولت الإلكترون للتعبير عن درجة الحرارة. يتم تقسيم فولت الإلكترون على ثابت بولتزمان لتحويله إلى مقياس كلفن : حيث k _B هو ثابت بولتزمان . $${\displaystyle {1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},}$$

يتم افتراض k _B عند استخدام الإلكترون فولت للتعبير عن درجة الحرارة، على سبيل المثال، بلازما الاندماج ذات الحبس المغناطيسي النموذجية هي15 كيلو فولت (كيلو إلكترون فولت)، وهو ما يعادل 174 ميجا كلفن (ميجا كلفن).

كتقريب: k _B T حوالي0.025 إلكترون فولت ( ≈290 ك/11604 كيلو فولت) عند درجة حرارة20 درجة مئوية .

ترتبط الطاقة E والتردد ν والطول الموجي λ للفوتون بالعلاقة حيث h هو ثابت بلانك و c هي سرعة الضوء . وهذا يقلل إلى ^[6] فوتون بطول موجي$${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/هرتز} \times \ Mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$532 نانومتر (الضوء الأخضر) سيكون له طاقة تقارب2.33 إلكترون فولت . وبالمثل،1 إلكترون فولت يتوافق مع فوتون الأشعة تحت الحمراء بطول موجي1240 نانومتر أو التردد241.8 تيراهرتز .

في تجربة التشتت النووي منخفض الطاقة، من المعتاد الإشارة إلى طاقة الارتداد النووي بوحدات eVr وkeVr وما إلى ذلك. وهذا يميز طاقة الارتداد النووي عن طاقة الارتداد "المكافئة للإلكترون" (eVee وkeVee وما إلى ذلك) المقاسة بواسطة ضوء الوميض . على سبيل المثال، يتم قياس إنتاج أنبوب ضوئي بوحدة phe/keVee (طاقة مكافئة للإلكترون لكل الإلكترونات الضوئية لكل كيلو فولت). تعتمد العلاقة بين eV وeVr وeVee على الوسط الذي يحدث فيه التشتت، ويجب إثباتها تجريبيًا لكل مادة.

طاقة	مصدر
3 × 10 58  كيلو فولت	كتلة-طاقة كل المادة العادية في الكون المرئي [10]
52.5  q إلكترون فولت	الطاقة المنبعثة من انفجار يعادل 20  كيلو طن من مادة تي إن تي (على سبيل المثال إنتاج السلاح النووي لقنبلة الانشطار فات مان )
12.2  دورة في الدقيقة	طاقة بلانك
10  سنة إلكترون فولت	طاقة التوحيد الكبرى التقريبية
300  إلكترون فولت	أول جسيم أشعة كونية عالية الطاقة تم رصده، وهو ما يسمى بجسيم أوه-ماي-جود [11]
62.4  إلكترون فولت	الطاقة التي يستهلكها جهاز بقوة 10 وات (على سبيل المثال مصباح LED نموذجي [12] ) في ثانية واحدة (10 وات =10 جول/ثانية ≈6.24 × 10 19  إلكترون فولت/ثانية )
2  فولت كهربائي	أعلى نيوترينو طاقة تم اكتشافه بواسطة تلسكوب نيوترينو IceCube في القارة القطبية الجنوبية [13]
14 تيرا إلكترون فولت	تم تصميم طاقة تصادم مركز كتلة البروتون في مصادم الهدرونات الكبير (تم تشغيله عند 3.5 تيرا إلكترون فولت منذ بدايته في 30 مارس 2010، ووصل إلى 13 تيرا إلكترون فولت في مايو 2015)
1 تيرا إلكترون فولت	0.1602 μJ ، وهي الطاقة الحركية للبعوضة الطائرة [ 14]
172 جيجا إلكترون فولت	طاقة كتلة السكون للكوارك العلوي ، وهو أثقل جسيم أولي تم تحديد ذلك له
125.1 ± 0.2 جيجا إلكترون فولت	طاقة كتلة السكون لبوزون هيغز ، كما تم قياسها بواسطة كاشفين منفصلين في LHC بدرجة يقين أفضل من 5 سيجما [15]
210 ميجا إلكترون فولت	متوسط ​​الطاقة المنطلقة في انشطار ذرة واحدة من البلوتونيوم 239
200 ميجا إلكترون فولت	متوسط ​​الطاقة التقريبية المنطلقة في الانشطار النووي لذرة واحدة من اليورانيوم 235 .
105.7 مليون إلكترون فولت	طاقة كتلة السكون للميون
17.6 مليون إلكترون فولت	متوسط ​​الطاقة المنبعثة في الاندماج النووي للديوتيريوم والتريتيوم لتكوين He - 4 ؛ هذا هو0.41 PJ لكل كيلوجرام من المنتج المنتج
2 ميجا إلكترون فولت	متوسط ​​الطاقة التقريبية المنطلقة في نيوترون الانشطار النووي المنطلق من ذرة واحدة من اليورانيوم 235 .
1.9 مليون إلكترون فولت	طاقة كتلة السكون للكوارك العلوي ، وهو الكوارك الأقل كتلة.
1 ميجا إلكترون فولت	0.1602 بيكو جول ، أي ما يقرب من ضعف طاقة الكتلة الساكنة للإلكترون
1 إلى 10 كيلو فولت	الطاقة الحرارية التقريبية ، kB · T ، في أنظمة الاندماج النووي ، مثل نواة الشمس ، والبلازما المحصورة مغناطيسيًا ، والحبس بالقصور الذاتي ، والأسلحة النووية
13.6 إلكترون فولت	الطاقة المطلوبة لتأين الهيدروجين الذري ؛ طاقات الروابط الجزيئية تكون في حدود1 إلكترون فولت إلى10 إلكترون فولت لكل رابطة
1.65 إلى 3.26 إلكترون فولت	مدى طاقة الفوتون في الطيف المرئي من الأحمر إلى البنفسجي${\displaystyle ({\tfrac {hc}{\lambda }})}$
1.1 إلكترون فولت	الطاقة اللازمة لكسر الرابطة التساهمية في السيليكون${\displaystyle E_{g}}$
720 ميجا فولت	الطاقة اللازمة لكسر الرابطة التساهمية في الجرمانيوم${\displaystyle E_{g}}$
< 120 ميجا فولت	الحد الأعلى لطاقة الكتلة الساكنة للنيوترينوات (مجموع 3 نكهات) [ 16]
38 ميجا فولت	متوسط ​​الطاقة الحركية3/2⁠ k B T ، لجزيء غاز واحد في درجة حرارة الغرفة
25 ميجا فولت	الطاقة الحرارية ، kB · T ، عند درجة حرارة الغرفة
230 ميكرو إلكترون فولت	الطاقة الحرارية ، k B T ، عند درجة حرارة إشعاع الخلفية الكونية للميكروويف التي تبلغ ~2.7  كلفن

يحتوي مول واحد من الجسيمات التي أعطيت 1 إلكترون فولت من الطاقة على ما يقرب من 96.5 كيلوجول من الطاقة - وهذا يتوافق مع ثابت فاراداي ( F ≈96 485  C⋅mol ⁻¹ )، حيث أن الطاقة بالجول لـ n مول من الجسيمات التي تبلغ طاقة كل منها E  eV تساوي E · F · n .

• أوامر الحجم (الطاقة)

• الثوابت الفيزيائية الأساسية من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا