Electró-volt

Electró-volt
Tipus	unitat 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
Unitat de	energia
Epònim	electró
Conversions d'unitats
A unitats del SI	0 J

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

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
Karl T. Compton.

Història modifica

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 modifica

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 $E=h\nu$ , on $h$ és la constant de Planck i $\nu$ 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 modifica

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 modifica

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

A causa de la relació massa i energia $E=mc^{2}$ o ${\textstyle m={\frac {E}{c^{2}}}}$ 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{\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 modifica

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 k_B.

{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 1/40^e electró-volt (0,025 eV).

Referències modifica

↑ «Electró-volt». Gran Enciclopèdia Catalana. Barcelona: Grup Enciclopèdia Catalana.
↑ «CODATA Value: electron volt». [Consulta: 28 juliol 2023].
↑ Jackson, J. D.. Classical Electrodynamics. 2a ed. Nova York: John Wiley & Sons, 1975, p. 45. ISBN 978-0-471-43132-9.
↑ Gyllenbok, Jan. Encyclopaedia of historical metrology, weights, and measures. Cham: Birkhäuser, 2018. ISBN 978-3-319-69067-4.
↑ 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.
↑ 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.
↑ Zolotoyabko, Emil. Introduction to solid state physics for materials engineers. Weinheim: Wiley-VCH, 2021. ISBN 978-3-527-34884-8.

Bibliografia modifica

Diccionari de la llengua catalana, dirigit per Jesús Giralt i Radigales, Enciclopèdia Catalana, Barcelona 2002.

[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.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]