Elektronvolt

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektronvolt (značka eV) je jednotka energie, která se široce používá v atomové, jaderné a částicové fyzice. Přestože nepatří do soustavy SI, její používání je v rámci ní akceptováno kvůli jejímu praktickému významu v těchto oborech.

Definice elektronvoltu je založena na práci vykonané na elektronu. Jeden elektronvolt je definován jako množství kinetické energie, kterou získá jediný volný elektron při průchodu elektrostatickým potenciálovým rozdílem jednoho voltu ve vakuu.

Vzhledem k tomu, že hodnota elementárního náboje (e) je od redefinice základních jednotek SI v roce 2019 stanovena přesně, je i převod mezi elektronvoltem a joulem (základní jednotkou energie v SI) dán přesnou hodnotou:

1 eV = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ J

📜 Historie a původ názvu

Koncept a název jednotky se vyvinul na počátku 20. století v souvislosti s experimenty v oblasti atomové fyziky a kvantové mechaniky. Fyzikové jako J. J. Thomson a Robert Millikan studovali vlastnosti elektronů a iontů a potřebovali praktickou jednotku pro popis velmi malých energetických změn, které pozorovali.

Používání joulů pro popis energií na atomární úrovni vedlo k práci s extrémně malými čísly (řádově 10⁻¹⁹ J), což bylo nepohodlné. Elektronvolt nabídl mnohem intuitivnější měřítko, přímo svázané s experimentálním uspořádáním (urychlování částic napětím). Název je složeninou slov elektron a volt, což odráží jeho definici. Jednotka se rychle ujala a stala se standardem v částicové a jaderné fyzice.

⚙️ Definice a převody

Základní vztah pro práci vykonanou elektrickým polem je:

W = Q ⋅ U

kde W je práce (energie), Q je náboj a U je rozdíl potenciálů.

Pro jeden elektronvolt je náboj Q roven elementárnímu náboji e a napětí U je 1 volt.

Vztah k hmotnosti

Podle principu ekvivalence hmotnosti a energie, který formuloval Albert Einstein ve své speciální teorii relativity (E=mc²), lze hmotnost vyjádřit v jednotkách energie. V částicové fyzice je běžné vyjadřovat klidové hmotnosti částic v jednotkách eV/c², kde c je rychlost světla ve vakuu.

• Klidová hmotnost elektronu: přibližně 511 keV/c² (0,511 MeV/c²)
• Klidová hmotnost protonu: přibližně 938 MeV/c²
• Klidová hmotnost neutronu: přibližně 940 MeV/c²
• Klidová hmotnost Higgsova bosonu: přibližně 125 GeV/c²

Vztah k teplotě

V některých oblastech fyziky, jako je fyzika plazmatu nebo astrofyzika, je užitečné vyjádřit teplotu v elektronvoltech. Převod se provádí pomocí Boltzmannovy konstanty (k_B). Střední kinetická energie částice v systému o teplotě T je řádově k_BT. Teplota odpovídající 1 eV je:

T = E / k_B ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ J / 1,380 × 10⁻²³ J/K ≈ 11 604 K

Teplota v jádru Slunce (přibližně 15 milionů K) tak odpovídá energii zhruba 1,3 keV.

Vztah k vlnové délce

Energii fotonu lze spojit s jeho vlnovou délkou (λ) pomocí Planck-Einsteinova vztahu:

E = hf = hc/λ

kde h je Planckova konstanta a c je rychlost světla. Pro praktické výpočty se často používá vztah:

E [eV] ≈ 1240 / λ [nm]

Z tohoto vztahu vyplývá, že foton s energií 1 eV odpovídá infračervenému záření o vlnové délce přibližně 1240 nm. Fotonům viditelného světla (400–700 nm) odpovídají energie v rozmezí zhruba 1,8 až 3,1 eV.

💡 Využití v praxi

Elektronvolt a jeho násobky jsou standardem pro popis energetických škál v mnoha oblastech moderní fyziky a techniky.

• Fyzika pevných látek: Šířka zakázaného pásu v polovodičích se typicky udává v jednotkách eV. Například křemík má šířku zakázaného pásu přibližně 1,1 eV, což určuje jeho elektrické a optické vlastnosti.
• Atomová fyzika: Ionizační energie atomů a energie elektronových přechodů se pohybují v řádu jednotek až desítek eV. Například ionizační energie atomu vodíku je přibližně 13,6 eV.
• Chemie: Energie chemických vazeb jsou také v řádu jednotek eV.
• Jaderná fyzika: Energie uvolněné při radioaktivních přeměnách (např. alfa, beta) nebo v jaderných reakcích se měří v kilo- (keV) a megaelektronvoltech (MeV).
• Částicová fyzika: Energie částic v urychlovačích dosahují hodnot giga- (GeV) a teraelektronvoltů (TeV). Například v Velkém hadronovém urychlovači (LHC) v CERNu dosahují srážky protonů energií v řádu 13–14 TeV.
• Astrofyzika: Energie kosmického záření mohou dosahovat extrémních hodnot, až EeV (exaelektronvolt, 10¹⁸ eV).

🎚️ Násobky a díly

V praxi se nejčastěji používají následující předpony SI:

• meV (milielektronvolt): 10⁻³ eV. Používá se pro popis jemných energetických struktur, např. vibračních stavů molekul.
• keV (kiloelektronvolt): 10³ eV. Typická energie rentgenových fotonů používaných v lékařství.
• MeV (megaelektronvolt): 10⁶ eV. Energie částic uvolňovaných při jaderných rozpadech, energie v jaderných reaktorech.
• GeV (gigaelektronvolt): 10⁹ eV. Klidová hmotnost protonu je přibližně 1 GeV/c². Běžná energetická škála v částicových urychlovačích.
• TeV (teraelektronvolt): 10¹² eV. Energie dosahované na nejvýkonnějších urychlovačích, jako je LHC.
• PeV (petaelektronvolt): 10¹⁵ eV. Energie vysokoenergetických neutrin detekovaných v experimentech jako IceCube.
• EeV (exaelektronvolt): 10¹⁸ eV. Energie nejenergetičtějších částic kosmického záření, které byly kdy pozorovány.

🤔 Pro laiky: Co je to elektronvolt?

Představte si Joule jako jednotku energie vhodnou pro náš každodenní svět – například energie potřebná ke zvednutí jablka o jeden metr je zhruba jeden joule. Pokoušet se touto jednotkou měřit energii jediné částice, jako je elektron, je ale podobné, jako kdybyste chtěli vážit zrnko písku na váze určené pro kamiony. Výsledkem by byla neprakticky malá čísla.

Proto si fyzikové vytvořili "na míru šitou" jednotku – elektronvolt.

Představte si obyčejnou tužkovou baterii s napětím 1,5 voltu. Uvnitř baterie je "elektrický kopec". Když se elektron skutálí z jednoho konce baterie na druhý, získá určité množství energie. Elektronvolt je definován jako energie, kterou elektron získá, když se skutálí z kopce vysokého přesně jeden volt.

Je to tedy velmi malé množství energie, ale pro svět atomů a částic je naprosto ideální. Například:

• Energie fotonu viditelného světla je asi 2 až 3 elektronvolty.
• Energie, která drží pohromadě atomy v molekule vody, je několik elektronvoltů.
• Když lékaři používají rentgen, fotony tohoto záření mají energii tisíců elektronvoltů (keV).

Elektronvolt tak fyzikům umožňuje pracovat s mnohem přívětivějšími čísly a lépe si představit energetické poměry v mikrosvětě.

Šablona:Aktualizováno