Electrovoltio

En física , un electronvoltio (símbolo eV ), también escrito electronvoltio y electronvoltio , es la medida de la cantidad de energía cinética ganada por un solo electrón al acelerarse a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio en el vacío . Cuando se usa como unidad de energía , el valor numérico de 1 eV en julios (símbolo J) es igual al valor numérico de la carga de un electrón en culombios (símbolo C). Según la revisión de 2019 del SI , esto establece que 1 eV es igual al valor exacto1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  J . ^[1]

Históricamente, el electronvoltio fue ideado como una unidad de medida estándar por 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.

Un electronvoltio es la cantidad de energía que gana o pierde un solo electrón cuando se mueve a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio . Por lo tanto, tiene un valor de un voltio , que es1 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 del SI . Es una unidad de energía de uso común en física, ampliamente utilizada en física del estado sólido , atómica , nuclear y de partículas , y astrofísica de alta energía . Se utiliza comúnmente con los prefijos SI mili- (10 ^-3 ), kilo- (10 ³ ), mega- (10 ⁶ ), giga- (10 ⁹ ), tera- (10 ¹² ), peta- (10 ¹⁵ ) o exa- (10 ¹⁸ ), siendo los símbolos respectivos meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV y EeV. 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 representa mil millones . Por lo tanto, el símbolo BeV es equivalente a GeV , aunque ninguna de las dos es una unidad del SI.

En los campos de la física en los que se utiliza el electronvoltio, normalmente se miden otras magnitudes utilizando unidades derivadas del electronvoltio como producto con constantes fundamentales de importancia en la teoría.

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 kilogramos de1 eV/ c ² es:

$${\displaystyle 1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1,602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{C}})\times 1\,{\text{V}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1,782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.}$$

Por ejemplo, un electrón y un positrón , cada uno con una masa de0,511 MeV/ c ² , puede aniquilarse para producir1,022 MeV de energía. Un protón tiene una masa de0,938 GeV/ c ² . 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, es cercana a la masa de un protón. Para convertir a masa equivalente de electronvoltio, utilice 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, la c puede omitirse informalmente para expresar el momento utilizando la unidad electronvoltio.

La relación energía-momento en unidades naturales (con ) es una ecuación pitagórica . Cuando se aplica una energía relativamente alta a una partícula con una masa en reposo relativamente baja , se puede aproximar como en la física de alta energía de modo que una energía aplicada con expresada en la unidad eV resulta convenientemente en un cambio de momento numéricamente aproximadamente equivalente cuando se expresa con la unidad eV/ c .$${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$${\estilo de visualización c=1}$$${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$${\displaystyle E\simeq p}$

La dimensión del momento es T ⁻¹ L M . La dimensión de la energía es T ⁻² L ² M . Dividir una unidad de energía (como eV) por una constante fundamental (como la velocidad de la luz) que tiene la dimensión de velocidad ( T ⁻¹ L ) facilita la conversión requerida para usar una unidad de energía para cuantificar el momento.

Por ejemplo, si el momento p de un electrón es1 GeV/ c , entonces la conversión al sistema de unidades MKS se puede lograr mediante:$${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

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, véase equivalencia masa-energía ). En particular, las longitudes de dispersión de partículas se presentan a menudo utilizando una unidad de masa de partícula inversa.

Fuera de este sistema de unidades, los factores de conversión entre electronvoltio, segundo y nanómetro son los siguientes:$${\displaystyle \hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .}$$

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) mediante Γ = ħ / τ . Por ejemplo,
B⁰
El mesón tiene una vida útil de 1,530(9)  picosegundos , la longitud de desintegración media es cτ =459,7 μm , o un ancho de desintegración de4.302(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 picosegundos inversos, que son 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:$${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$$

En ciertos campos, como la física del plasma , resulta conveniente utilizar el electronvoltio para expresar la temperatura. El electronvoltio se divide por la constante de Boltzmann para convertir a la escala Kelvin : donde k _B es la constante de Boltzmann .$${\displaystyle {1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},}$$

Se supone que kB _se utiliza 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 °C .

La energía E , la frecuencia ν 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] Un fotón con una longitud de onda de$${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$532 nm (luz verde) tendría una energía de aproximadamente2,33 eV . De manera similar,1 eV correspondería a un fotón infrarrojo de longitud de onda1240 nm o frecuencia241,8 THz .

En un experimento de dispersión nuclear de baja energía, es habitual 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 al electrón" (eVee, keVee, etc.) medida mediante luz de centelleo . Por ejemplo, el rendimiento de un fototubo se mide en phe/keVee ( fotoelectrones por keV de energía equivalente al 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.

Energía	Fuente
3 × 10 58  Q eV	masa-energía de toda la materia ordinaria en el universo observable [10]
52,5  Q eV	Energía liberada a partir de una explosión equivalente a 20  kilotones de TNT (por ejemplo, el rendimiento del arma nuclear de la bomba de fisión Fat Man )
12.2  R eV	La energía de Planck
10  Y eV	energía aproximada de gran unificación
300  E -V	Se observa la primera partícula de rayos cósmicos de energía ultraalta , la llamada partícula Oh-My-God [11]
62,4  E eV	energía consumida por un dispositivo de 10 vatios (por ejemplo, una bombilla LED típica [12] ) en un segundo (10 W =10 J/s ≈6,24 × 10 19  eV/s )
2  P eV	El neutrino de mayor energía detectado por el telescopio de neutrinos IceCube en la Antártida [13]
14 TeV	Energía de colisión diseñada en el centro de masa de protones en el Gran Colisionador de Hadrones (que funcionó a 3,5 TeV desde su inicio el 30 de marzo de 2010 y alcanzó los 13 TeV en mayo de 2015)
1 TeV	0,1602 μJ , aproximadamente la energía cinética de un mosquito volador [14]
172 GeV	Energía de masa en reposo del quark top , la partícula elemental más pesada para la que se ha determinado esto.
125,1 ± 0,2 GeV	Energía de masa en reposo del bosón de Higgs , medida por dos detectores separados en el LHC con una certeza mejor que 5 sigma [15]
210 MeV	Energía media liberada en la fisión de un átomo de Pu-239
200 MeV	energía media aproximada liberada en la fisión nuclear de un átomo de U-235 .
105,7 MeV	energía de masa en reposo de un muón
17,6 MeV	energía media liberada en la fusión nuclear de deuterio y tritio para formar He-4 ; esta es0,41 PJ por kilogramo de producto elaborado
2 MeV	energía media aproximada liberada en un neutrón de fisión nuclear liberado de un átomo de U-235 .
1,9 MeV	energía de masa en reposo del quark up , el quark de menor masa.
1 MeV	0,1602 pJ , aproximadamente el doble de la energía de masa en reposo de un electrón
1 a 10 keV	Energía térmica aproximada , k B T , en sistemas de fusión nuclear , como el núcleo del sol , el plasma confinado magnéticamente , el confinamiento inercial y las armas nucleares.
13,6 eV	la energía necesaria para ionizar el hidrógeno atómico ; las energías de enlace molecular son del orden de1 eV a10 eV por enlace
1,65 a 3,26 eV	Rango de energía de los fotones del espectro visible desde el rojo hasta el violeta.${\displaystyle ({\tfrac {hc}{\lambda }})}$
1,1 eV	Energía necesaria para romper un enlace covalente en silicio.${\displaystyle E_{g}}$
720 meV	Energía necesaria para romper un enlace covalente en germanio.${\displaystyle E_{g}}$
< 120 meV	límite superior de la energía de la masa en reposo de los neutrinos (suma de los tres sabores) [16]
38 meV	energía cinética media ,3/2⁠ k B T , de una molécula de gas a temperatura ambiente
25 meV	energía térmica , k B T , a temperatura ambiente
230 microeV	energía térmica , k B T , a la temperatura de radiación de fondo de microondas cósmica de ~2,7  kelvin

Un mol de partículas a las que se les da 1 eV de energía cada una tiene aproximadamente 96,5 kJ de energía, lo que 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 .

• Órdenes de magnitud (energía)

• Constantes físicas fundamentales del NIST