Electró-volt

Infotaula d'unitatElectró-volt
Tipusunitat d'energia, unitats que no formen part del SI però s'hi mencionen i accepten, unitat derivada en UCUM, unitat de massa i constant física Modifica el valor a Wikidata
Unitat deenergia Modifica el valor a Wikidata
Epònimelectró Modifica el valor a Wikidata
Conversions d'unitats
A unitats del SI0 J Modifica el valor a Wikidata

Un electró-volt (símbol: eV) —de vegades electronvolt, que també és correcte[1]— és la quantitat d'energia adquirida per un electró lliure en travessar un camp elèctric amb una diferència de potencial d'un volt. És una unitat d'energia, la qual equivalència exacta en joules és:[2]

1 eV = 1 , 602 176 634 × 10 − 19 J {\displaystyle 1\,{\text{eV}}=1,602\,176\,634\times 10^{-19}{\text{J}}}

L'energia que adquireix un electró dins d'un camp elèctric és energia cinètica E c = 1 2 m v 2 {\textstyle E_{c}={\frac {1}{2}}mv^{2}} , deguda a la velocitat v {\displaystyle v} que adquireix quan s'accelera l'electró de massa m {\displaystyle m} . Aquesta energia es pot calcular a partir del treball W {\displaystyle W} que fa el camp elèctric sobre l'electró W = − q Δ V {\displaystyle W=-q\Delta V} .[3] En el cas d'un electró q = − e {\displaystyle q=-e} , el valor de la càrrega elèctrica elemental, i si la diferència de potencial és 1 volt, Δ V = 1 V {\displaystyle \Delta V=1{\text{V}}} , resulta que l'energia cinètica és:

E c = W = − ( − 1 , 602 176 634 × 10 − 19 ) C ⋅ 1 V = 1 , 602 176 634 × 10 − 19 J {\displaystyle E_{c}=W=-(-1,602\,176\,634\times 10^{-19})\,{\text{C}}\cdot 1{\text{V}}=1,602\,176\,634\times 10^{-19}{\text{J}}}

L'electró-volt no és una unitat del Sistema Internacional d'Unitats (SI), però està acceptada per ser utilitzada amb unitats del SI. Com que l'electró-volt és una quantitat ínfima, sovint se n'utilitzen els múltiples del SI, que són:

  • El quiloelectró-volt: 1 keV = 10³ eV
  • El megaelectró-volt: 1 MeV = 10⁶ eV
  • El gigaelectró-volt: 1 GeV = 10⁹ eV
  • El teraelectró-volt: 1 TeV = 1012 eV
Físics que empraren per primera vegada l'eV
  • Owen W. Richardson
    Owen W. Richardson
  • Karl T. Compton.
    Karl T. Compton.

Història

L'electró-volt és una unitat d'energia introduïda en física l'octubre del 1912 amb el nom en anglès d'equivalent volt,[4] en un article sobre l'efecte fotoelèctric, pel físic anglès Owen Willans Richardson (1879-1959), Premi Nobel de Física del 1928, i l'estatunidenc Karl Taylor Compton (1887-1954) de la Universitat de Princeton, germà del Premi Nobel de Física del 1927 Arthur Holly Compton (1892-1962).[5]

Radiació electromagnètica

La radiació electromagnètica a partir de l'infraroig proper fins als raigs còsmics més energètics sovint es classifiquen en intervals d'energia mesurats en electró-volts. La relació entre l'energia en joules del fotó i la freqüència de la radiació és la fórmula d'Einstein E = h ν {\displaystyle E=h\nu } , on h {\displaystyle h} és la constant de Planck i ν {\displaystyle \nu } la freqüència en hertz.

Intervals de radiació electromagnètica de mitjana i alta energia[6]
Nom de la radiació Energies (eV) Energies (J) Freqüències (Hz)
Part de les microones i infraroig llunyà 0,1 – 1 (1,6 – 16) × 10–20 (3 – 30) × 1013
Infraroig proper, visible i ultraviolat proper 1 – 10 (1,6 – 16) × 10–19 (3 – 30) × 1014
Ultraviolat de buit 10 – 100 (1,6 – 16) × 10–18 (3 – 30) × 1015
Raigs X blans 100 – 1 000 (1,6 – 16) × 10–17 (3 – 30) × 1016
Raigs X blans (1 – 10) × 10³ (1,6 – 16) × 10–16 (3 – 30) × 1017
Raigs X durs i raigs γ blans (1 – 10) × 104 (1,6 – 16) × 10–15 (3 – 30) × 1018
Raigs γ blans i durs (1 – 10) × 10⁵ (1,6 – 16) × 10–14 (3 – 30) × 1019
Raigs γ durs i raigs γ còsmics (1 – 10) × 106 (1,6 – 16) × 10–13 (3 – 30) × 1020
Raigs γ produïts per raigs còsmics (1 – 10) × 107 (1,6 – 16) × 10–12 (3 – 30) × 1021

Energies de fenòmens atòmics i moleculars

Primeres energies d'ionització dels elements en funció del nombre atòmic.

Diferents energies de fenòmens atòmics s'expressen en electró-volts. És el cas de l'energia d'ionització, l'energia que cal aportar a un àtom o una molècula per extreure-li un electró. És una propietat característica de cada element químic i presenta una variació regular en la taula periòdica. Els valors oscil·len entre 3,89 eV pel cesi fins a 24,59 eV de l'heli. També el treball d'extracció dels metalls o funció de treball, l'energia necessària per extreure electrons d'un sòlid, s'expressen en electró-volts. S'empra en l'efecte fotoelèctric i l'efecte termoiònic.

Funcions de treball d'alguns elements químics[7]
Elements Al Ag Be Cd Ca Cs Co Cu Ni Nb Au Pt Zn
Funció de treball (eV) 4,08 4,26-4,73 5,0 4,07 2,9 1,95 5,0 4,7 5,01 4,3 5,1 6,36 4,3

Masses en eV

Partícules elementals segons el model estàndard. Les energies s'expressen en eV.

A causa de la relació massa i energia E = m c 2 {\displaystyle E=mc^{2}} o m = E c 2 {\textstyle m={\frac {E}{c^{2}}}} establerta pel físic alemany Albert Einstein el 1905, en física de partícules usa l'eV/c² com a unitat de massa, amb l'avantatge que la conversió entre massa i energia és trivial. Per exemple, un electró i un positró, cadascun amb una massa de 0,511 MeV/c², poden aniquilar-se generant una energia de 2 · 0,511 MeV = 1,022 MeV. L'equivalència és:

m = 1 eV c 2 ⋅ 1 , 602 × 10 − 19 J 1 eV ⋅ c 2 ( 2 , 998 × 10 8 m/s ) 2 = 1 , 783 × 10 − 36 kg {\displaystyle m=1{\frac {\text{eV}}{c^{2}}}\cdot {\frac {1,602\times 10^{-19}{\text{J}}}{1{\text{eV}}}}\cdot {\frac {c^{2}}{(2,998\times 10^{8}{\text{m/s}})^{2}}}=1,783\times 10^{-36}{\text{kg}}}

1 eV/c² = 1,783 × 10–36 kg
1 keV/c² = 1,783 × 10–33 kg
1 MeV/c² = 1,783 × 10–30 kg
1 GeV/c² = 1,783 × 10–27 kg

Mesura de la temperatura

En algunes àrees, com per exemple la física dels plasmes, pot ser convenient utilitzar l'electró-volt com la unitat de la temperatura. Per a saber la temperatura d'una partícula en kèlvins, a partir de la seva energia en electró-volts, es fa servir la constant de Boltzmann kB.

1  eV k B = 1 , 602   177 × 10 − 19  J 1 , 380   650 × 10 − 23  J/K = 11   605  K {\displaystyle {1{\mbox{ eV}} \over k_{B}}={1,602\ 177\times 10^{-19}\,{\mbox{ J}} \over 1,380\ 650\times 10^{-23}\,{\mbox{ J/K}}}=11\ 605\,{\mbox{ K}}}

Per exemple, una temperatura típica del plasma a una fusió per confinament magnètic és de 15 keV, és a dir 174 MK (megakelvins). La temperatura ambient (~ 20 °C) correspondria a 1/40e electró-volt (0,025 eV).

Referències

  1. ↑ «Electró-volt». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
  2. ↑ «CODATA Value: electron volt». [Consulta: 28 juliol 2023].
  3. ↑ Jackson, J. D.. Classical Electrodynamics. 2a ed. Nova York: John Wiley & Sons, 1975, p. 45. ISBN 978-0-471-43132-9. 
  4. ↑ Gyllenbok, Jan. Encyclopaedia of historical metrology, weights, and measures. Cham: Birkhäuser, 2018. ISBN 978-3-319-69067-4. 
  5. ↑ Richardson, O.W.; Compton, Karl T. «LIII. The photoelectric effect». The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 24, 142, 1912-10, pàg. 575–594. DOI: 10.1080/14786441008637361. ISSN: 1941-5982.
  6. ↑ Lide, David R.; Frederikse, H. P. R.. CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 76th ed. Boca Raton: CRC press, 1997. ISBN 978-0-8493-0597-9. 
  7. ↑ Zolotoyabko, Emil. Introduction to solid state physics for materials engineers. Weinheim: Wiley-VCH, 2021. ISBN 978-3-527-34884-8. 

Bibliografia

  • Diccionari de la llengua catalana, dirigit per Jesús Giralt i Radigales, Enciclopèdia Catalana, Barcelona 2002.
Bases d'informació