Elektronenvolt - LinkFang.de





Elektronenvolt


Physikalische Einheit
Einheitenname Elektronenvolt
Einheitenzeichen [math]\mathrm{eV}[/math]
Physikalische Größe(n) Energie
Formelzeichen [math]E[/math]
Dimension [math]\mathsf{M\;L^2\;T^{-2} }[/math]
System Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen
In SI-Einheiten [math]\mathrm{1 \, eV = 1{,}602\,176\,6208 \cdot 10^{-19} \; \frac{kg \, m^2}{s^2} }[/math]
Benannt nach Elektron, Alessandro Volta
Abgeleitet von Volt, Elementarladung

Das Elektronenvolt, auch Elektronvolt, ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Ihr Einheitenzeichen ist eV.

Wird ein Elektron in einem elektrischen Feld beschleunigt, so ändert sich seine kinetische Energie um genau ein Elektronvolt, wenn die BeschleunigungsspannungVolt beträgt. In der SI-Einheit Joule ausgedrückt ist sein Wert gemäß der CODATA-Empfehlung:[1]

[math]1\,\mathrm{eV} = 1{,}602\,176\,6208(98) \cdot 10^{-19}\,\mathrm{J} \,.[/math]

Die eingeklammerten Ziffern geben die Unsicherheit in den letzten Stellen des Wertes als geschätzte Standardabweichung des angegebenen Zahlenwertes vom tatsächlichen Wert an. Diese beträgt somit 9,8 · 10−28 J.

Das Elektronenvolt gehört zwar nicht wie das Joule zum Internationalen Einheitensystem, ist aber zum Gebrauch mit ihm zugelassen[2] und eine gesetzliche Maßeinheit.[3]

Benennung

Die Einheit wird in der deutschsprachigen Fachliteratur weit überwiegend als „Elektronenvolt“ bezeichnet, also mit dem Morphem „en“ zwischen „Elektron“ und „volt“. Andererseits sieht die Ausführungsverordnung zum Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung vom 13. Dezember 1985 die Form „Elektronvolt“ vor.[4]

Die DIN-Norm 1301-1 „Einheiten – Einheitennamen, Einheitenzeichen“ vom Oktober 2010 empfiehlt die Form „Elektronvolt“.[5] In der Norm DIN 66030 „Informationstechnik – Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat“ vom Mai 2002 wird dagegen die Form „Elektronenvolt“ verwendet.[6]

Verwendung als Einheit für die Energie

Das Elektronenvolt wird als „handliche“ Einheit der Energie in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten wie der experimentellen Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Beispielsweise wird die kinetische Energie, auf die ein Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger gebracht wird, stets in Elektronenvolt angegeben. Handlich ist das deshalb, weil sich die Änderung der kinetischen Energie [math]\Delta E_{\text{kin}}[/math] jedes im elektrischen Feld beschleunigten Teilchens aus seiner Ladung [math]Q[/math] und der durchlaufenen Spannung [math]U[/math] als [math]\Delta E_{\text{kin}} = U Q[/math] berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen ist: Die Masse des Teilchens, die Länge des Weges oder der genaue Verlauf der Feldstärke spielen keine Rolle.

Der Betrag der Ladung eines freien, beobachtbaren Teilchens ist immer die Elementarladung [math]e[/math] oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Anstatt die Elementarladung einzusetzen und die Energie in Joule anzugeben, kann man daher die aus einer elektrischen Beschleunigung resultierende Änderung der kinetischen Energie direkt in der Einheit eV angeben. Dabei gilt die Formel [math]\Delta E_{\text{kin}} = e \,U[/math] nur für einfach geladene Teilchen wie Elektronen, Protonen und einfach geladene Ionen; bei [math]Z[/math]-fach geladenen Teilchen gilt entsprechend [math]\Delta E_{\text{kin}} = Z e\, U[/math]. So ändert sich beispielsweise die kinetische Energie eines Protons beim Durchfliegen einer Potentialdifferenz von 100 V um 100 eV, die Energie eines zweifach geladenen Heliumkerns ändert sich um 200 eV. Die kinetische Energie eines positiv geladenen Teilchens nimmt um den genannten Betrag zu, wenn die durchlaufene Spannung so gepolt ist, dass das elektrische Potential auf dem Weg des Teilchens abnimmt (umgangssprachlich: „Wenn sich das Teilchen von Plus nach Minus bewegt“), sonst nimmt sie ab. Für negativ geladene Teilchen gilt dasselbe mit umgekehrten Vorzeichen (siehe z. B. Gegenfeldmethode beim Photoeffekt).

Verwendung als Einheit für die Masse in der Teilchenphysik

Das Elektronenvolt kann auch als Einheit der Masse von Teilchen verwendet werden. Die Umrechnung von Masse in Energie geschieht gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie. Diese Energie wird Ruheenergie genannt.

[math]E = m c^2 \quad \Leftrightarrow \quad m = \dfrac{E}{c^2}[/math],

wobei

  • [math]E[/math] für die Energie
  • [math]m[/math] für die Masse und
  • [math]c[/math] für die Lichtgeschwindigkeit steht.

Die entsprechende Masseneinheit ist also [math]\mathrm{eV}/c^2[/math]. Die Umrechnung in Kilogramm ist

[math] 1 \,\mathrm{eV} /c^2 \approx 1{,}783 \cdot 10^{-36}\,\mathrm{kg}[/math].

Beispielsweise beträgt die Masse eines Elektrons 9,11 · 10−31 kg = 511 keV/c².

In der Teilchenphysik wird oft ein System „natürlicher“ Einheiten verwendet. Dabei wird [math]c = 1[/math] gesetzt. Damit hat die Masse eines Teilchens die gleiche Einheit wie seine kinetische Energie. Beide werden dann üblicherweise in Elektronenvolt angegeben.

Dezimale Vielfache

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt sind:

  • meV (Millielektronenvolt). Beispiel: ein freies Teilchen hat bei Raumtemperatur eine thermische Energie von knapp 40 meV
  • keV (Kiloelektronenvolt). Beispiel: ein Photon der Röntgenstrahlung hat etwa 1–250 keV
  • MeV (Megaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,511 MeV
  • GeV (Gigaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,94 GeV
  • TeV (Teraelektronenvolt). Beispiel: Protonen im LHC haben eine maximale kinetische Energie von 6,5 TeV, eine Kollision zweier Protonen hat also eine Energie von 13 TeV.[7]

Weitere Beispiele und Bemerkungen

Die kinetische Energie von schnell bewegten schwereren Atomkernen (Schwerionen) gibt man häufig pro Nukleon an. Als Einheit wird dann AGeV geschrieben, wobei A für die Massenzahl steht. Jeder Kern mit 1 AGeV besitzt die gleiche Geschwindigkeit. Analog gibt es je nach Energieskala das ATeV und das AMeV.

Im LHC am CERN ist geplant, Protonen mit einer Energie von 6,5 TeV und Bleikerne mit 574 TeV miteinander kollidieren zu lassen, bei den Protonen wurde dieser Wert bereits erreicht. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ca. 1 µJ bzw. 90 µJ ist dabei immer noch sehr gering. Berücksichtigt man aber die große Anzahl der Teilchen (1,15 · 1011 Protonen pro Teilchenpaket, im Ring des LHC befinden sich bis zu 2808 Teilchenpakete pro Richtung[8]), erhält man als Gesamtenergie der im Ring befindlichen Protonen 720 MJ, dies entspricht grob der kinetischen Energie eines startenden großen Flugzeugs.

Umrechnung in Joule pro Mol

In der Chemie wird oft nicht die Energie pro Teilchen, sondern pro Mol (mit der Einheit J/mol) angegeben, die man durch Multiplikation der Energie des einzelnen Teilchens mit der Avogadro-Konstante [math]N_\mathrm{A}[/math] erhält, zum Beispiel:

[math]1\,\mathrm{eV} \cdot N_\mathrm{A} = 96\,485\,\mathrm{J/mol}=F \cdot 1 \,\mathrm V,[/math]

wobei [math]F[/math] die Faraday-Konstante ist.

Einzelnachweise

  1. CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 25. Juli 2015. Wert für ein Elektronvolt, veröffentlicht durch das amerikanische National Institute of Standards and Technology mit CODATA als Datenquelle
  2. Das Internationale Einheitensystem (SI). Deutsche Übersetzung der BIPM-Broschüre „Le Système international d‘unités/The International System of Units (8e edition, 2006)“. In: PTB-Mitteilungen. Band 117, Nr. 2, 2007 (Online Version (PDF-Datei, 1,4 MB) ).
  3. aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU bzw. dem Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz
  4. PDF
  5. DIN 1301 Einheiten. Teil 1: Einheitennamen, Einheitenzeichen. Oktober 2010, S. 8.
  6. DIN 66030 Informationstechnik – Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat. Mai 2002, S. 5, Tabelle 1.
  7. First images of collisions at 13 TeV. 21. Mai 2015, abgerufen am 21. Mai 2015 (english).
  8. LHC Design Report

Kategorien: Energieeinheit | Zum Gebrauch mit dem SI zugelassene Einheit

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenvolt (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

Änderungen: Alle Bilder mit den meisten Bildunterschriften wurden entfernt. Ebenso alle zu nicht-existierenden Artikeln/Kategorien gehenden internen Wikipedia-Links (Bsp. Portal-Links, Redlinks, Bearbeiten-Links). Entfernung von Navigationsframes, Geo & Normdaten, Mediadateien, gesprochene Versionen, z.T. ID&Class-Namen, Style von Div-Containern, Metadaten, Vorlagen, wie lesenwerte Artikel. Ansonsten sind keine Inhaltsänderungen vorgenommen worden. Weiterhin kann es durch die maschinelle Bearbeitung des Inhalts zu Fehlern gerade in der Darstellung kommen. Darum würden wir jeden Besucher unserer Seite darum bitten uns diese Fehler über den Support mittels einer Nachricht mit Link zu melden. Vielen Dank!

Stand der Informationen: August 201& - Wichtiger Hinweis: Da die Inhalte maschinell von Wikipedia übernommen wurden, ist eine manuelle Überprüfung nicht möglich. Somit garantiert LinkFang.de nicht die Richtigkeit und Aktualität der übernommenen Inhalte. Sollten die Informationen mittlerweile fehlerhaft sein, bitten wir Sie darum uns per Support oder E-Mail zu kontaktieren. Wir werden uns dann innerhalb von spätestens 10 Tagen um Ihr Anliegen kümmern. Auch ohne Anliegen erfolgt mindestens alle drei Monate ein Update der gesamten Inhalte.