إلكترون‌ڤولت

إلكترون فولت (رمزها eV) هي واحدة لقياس الطاقة. هي كمية الطاقة الحركة التي يكتسبها الكترون وحيد غير مرتبط عند تسريعه بواسطة جهد كهربائي ساكن قيمته 1 فولت في الفراغ.

وطبقا لذلك التعريف بالإلكترون فولت حاصل ضرب 1 فولت في شحنة الإلكترون التي تقدر ب (كولوم 1e =1.6023×10⁻¹⁹).

أي أن:

فولت.كولوم 1eV =1.6023×10⁻¹⁹

وبما أن 1 فولت = 1 جول ÷ شحنة الإلكترون بالكولوم

نحصل على العلاقة بين الإلكترون فولت والجول ، وهي :

جول 1eV =1.6023×10⁻¹⁹

ووحدة الطاقة بالجول كبيرة جدا بالنسبة لتطبيقها على الإلكترونات و في دراسة الذرة. لهذ اخترع الفيزيائيون وحدة للطاقة صغيرة لتسهيل الحسابات عند دراسة الذرة و نواة الذرة والجسيمات الأولية ،وكذلك في مجال فيزياء المواد الصلبة.

ويستعمل الفيزيائيون والكيميائيون في عملهم وحدة الإلكترون فولت eV ، وألف إلكترون فولت keV، ومليون إلكترون فولت MeV ، وهكذا (انظر أسفله).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 جول

وفي الكيمياء نستعمل أحيانا الوزن الجزيئي (مول) للمواد لمعرفة كمية الطاقة التي نكتسبها من تفاعل معين بالجول. أو عندما نريد معرفة مقدار طاقة الحركة عندما يمر 1 مول من الإلكترونات عبر فرق جهد مقداره 1 فولت، وفي هذه الحالة نحصل على مقدار تلك الطاقة بالجول، وهي تساوي 96.48 كيلو جول / مول.

وعندما نتعامل مع تأين الذرات نجد أن وحدة الإلكترون فولت مناسبة. فذرة الهيدروجين تحتاج لتأينها إلى نحو 13 إلكترون فولت لكي تتأين.

 وحدة كتل ذرية (emu)

علمتنا النظرية النسبية الخاصة لأينشتاين والتي صاغها عام 1905 أن الكتلة مكافئة للطاقة، ولا يدخل في العلاقة بينهما سوى مربع سرعة الضوء في الفراغ c². أي أن:

E = m c²

حيث:

• E = الطاقة بالجول ،
• m = الكتلة كيلوجرام ،
• c = سرعة الضوء في الفراغ = 3 . ⁸ 10 متر/ثانية

لنأخذ الآن مثال تحلل الإلكترون والبوزيترون عندما يلتقيا - وهي العملية المسماة إفناء إلكترون-بوزيترون -، فكل منهما له كتلة السكون مقدارها 0.511 مليون إلكترون فولت، فعندما يتحللا تنشأ طاقة قدرها مجموع كتلتيهما، أي 1.022 MeV.

كذلك تقدر كتلة السكون للبروتون 938 مليون إلكترون فولت. وهذه الطاقة تعادل :

= 1.783×10⁻²⁷ كيلوجرام.

• عندما نريد حساب وحدة الكتلة الذرية فإننا نقسم 1 جرام على عدد أفوجادرو، وهذا يعطينا بالتقريب كتلة ذرة الهيدروجين . وهذه الأخرى تعادل تقريبا كتلة السكون للبروتون. أي أن وحدة الكتلة الذرية تساوي:

وحدة كتلة ذرية = 931 مليون إلكترون فولت.

 أمثلة للطاقة بالإلكترون فولت

• 200 مليون إلكترون فولت تُصدرها نواة اليورانيوم-235 عند انقسامها في التفاعل النووي

وهي تكافئ 8.2. ¹³10 جول / كيلوجرام، أو 20000 طن TNT لكل كيلوجرام.

• 17.6 مليون إلكترون فولت مقدار الطاقة الصادرة عن اندماج ذرة ديوتيريوم وذرة تريتيوم لتكوين ذرة هيليوم-4.

• 20 مليون إلكترون فولت مقدار الطاقة الناتجة عن اصطدام قطرة ماء مطر بالأرض.

• 13.6 إلكترون فولت الطاقة اللازمة لتأيّن ذرة الهيدروجين.

• 3/80 إلكترون فولت مقدار الطاقة الحركية لجزيئ الهواء عند درجة حرارة الغرفة.

• 7 ×10¹² إلكترون فولت مقدار الطاقة المكتسبة للبروتونات في معجل الهادرونات الكبير Large Hadron Collider الذي يشيد الآن في سويسرا ويبدأ العمل في مايو 2009.

 العلاقة بين الإلكترون فولت والوحدات الأخرى للطاقة

الكمية	الوحدة	SI value of unit
الطاقة	eV	1.602176565(35)×10−19 J
الكتلة	eV/c2	1.78266192×10−36 kg
العزم	eV/c	5.34428599×10−28 kg·m/s
درجة الحرارة	eV/kB	11604.51812 K
الوقت	ħ/eV	6.582119×10−16 s
المسافة	ħc/eV	1.97327×10−7 m

لتحويل الإلكترون‌ڤولت إلى وحدة أخرى للطاقة نستعمل العلاقة الآتية:

 Mass

By mass–energy equivalence, the electronvolt corresponds to a unit of mass. It is common in particle physics, where units of mass and energy are often interchanged, to express mass in units of eV/c², where c is the speed of light in vacuum (from E = mc²). It is common to informally express mass in terms of eV as a unit of mass, effectively using a system of natural units with c set to 1. The kilogram equivalent of 1 eV/c² is:

$$1\;{\text{eV}}/c^{2}={\frac {(1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\,{\text{C}})\times 1\,{\text{V}}}{(299\ 792\ 458\;\mathrm {m/s} )^{2}}}=1.782\ 661\ 92\times 10^{-36}\;{\text{kg}}.$$

For example, an electron and a positron, each with a mass of 0.511 MeV/c², can annihilate to yield 1.022 MeV of energy. A proton has a mass of 0.938 GeV/c². In general, the masses of all hadrons are of the order of 1 GeV/c², which makes the GeV/c² a convenient unit of mass for particle physics:

1 GeV/c² = 1.78266192×10⁻²⁷ kg.

The atomic mass constant (m_u), one twelfth of the mass a carbon-12 atom, is close to the mass of a proton. To convert to electronvolt mass-equivalent, use the formula:

m_u = 1 Da = 931.4941 MeV/c² = 0.9314941 GeV/c².

 Momentum

By dividing a particle's kinetic energy in electronvolts by the fundamental constant c (the speed of light), one can describe the particle's momentum in units of eV/c. In natural units in which the fundamental velocity constant c is numerically 1, the c may be informally be omitted to express momentum using the unit electronvolt.

ملف:Einstein-triangle-in-natural-units.svg

The energy–momentum relation in natural units, $E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$, is a Pythagorean equation that can be visualized as a right triangle where the total energy $E$ is the hypotenuse and the momentum $p$ and rest mass $m_{0}$ are the two legs.

The energy–momentum relation

$$E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}$$

in natural units (with $c=1$)

$$E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}$$

is a Pythagorean equation. When a relatively high energy is applied to a particle with relatively low rest mass, it can be approximated as $E\simeq p$ in high-energy physics such that an applied energy with expressed in the unit eV conveniently results in a numerically approximately equivalent change of momentum when expressed with the unit eV/c.

The dimension of momentum is قالب:Dimanalysis. The dimension of energy is قالب:Dimanalysis. Dividing a unit of energy (such as eV) by a fundamental constant (such as the speed of light) that has the dimension of velocity (قالب:Dimanalysis) facilitates the required conversion for using a unit of energy to quantify momentum.

For example, if the momentum p of an electron is 1 GeV/c, then the conversion to MKS system of units can be achieved by:

$$p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.$$

 المسافة

In particle physics, a system of natural units in which the speed of light in vacuum c and the reduced Planck constant ħ are dimensionless and equal to unity is widely used: c = ħ = 1. In these units, both distances and times are expressed in inverse energy units (while energy and mass are expressed in the same units, see mass–energy equivalence). In particular, particle scattering lengths are often presented using a unit of inverse particle mass.

Outside this system of units, the conversion factors between electronvolt, second, and nanometer are the following:

$$\hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .$$

The above relations also allow expressing the mean lifetime τ of an unstable particle (in seconds) in terms of its decay width Γ (in eV) via Γ = ħ/τ. For example, the Error no symbol defined meson has a lifetime of 1.530(9) picoseconds, mean decay length is cτ = 459.7 μm, or a decay width of 4.302(25)×10⁻⁴ eV.

Conversely, the tiny meson mass differences responsible for meson oscillations are often expressed in the more convenient inverse picoseconds.

Energy in electronvolts is sometimes expressed through the wavelength of light with photons of the same energy:

$${\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.$$

 درجة الحرارة

In certain fields, such as plasma physics, it is convenient to use the electronvolt to express temperature. The electronvolt is divided by the Boltzmann constant to convert to the Kelvin scale:

$${1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},$$

where k_B is the Boltzmann constant.

The k_B is assumed when using the electronvolt to express temperature, for example, a typical magnetic confinement fusion plasma is 15 keV (kiloelectronvolt), which is equal to 174 MK (megakelvin).

As an approximation: k_BT is about 0.025 eV (≈ 290 K/11604 K/eV) at a temperature of 20 °C.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 طول الموجة

ملف:Colors in eV.svg

Energy of photons in the visible spectrum in eV

ملف:EV to nm vis-en.svg

Graph of wavelength (nm) to energy (eV)

The energy E, frequency ν, and wavelength λ of a photon are related by

$$E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}$$

where h is the Planck constant, c is the speed of light. This reduces to

$${\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}$$

A photon with a wavelength of 532 nm (green light) would have an energy of approximately 2.33 eV. Similarly, 1 eV would correspond to an infrared photon of wavelength 1240 nm or frequency 241.8 THz.

 تجارب التشتت

In a low-energy nuclear scattering experiment, it is conventional to refer to the nuclear recoil energy in units of eVr, keVr, etc. This distinguishes the nuclear recoil energy from the "electron equivalent" recoil energy (eVee, keVee, etc.) measured by scintillation light. For example, the yield of a phototube is measured in phe/keVee (photoelectrons per keV electron-equivalent energy). The relationship between eV, eVr, and eVee depends on the medium the scattering takes place in, and must be established empirically for each material.

 مقارنات الطاقة

Photon frequency vs. energy particle in electronvolts. The energy of a photon varies only with the frequency of the photon, related by the speed of light. This contrasts with a massive particle of which the energy depends on its velocity and rest mass.

Legend
γ: gamma rays	MIR: mid-infrared	HF: high freq.
HX: hard X-rays	FIR: far infrared	MF: medium freq.
SX: soft X-rays	radio waves	LF: low freq.
EUV: extreme ultraviolet	EHF: extremely high freq.	VLF: very low freq.
NUV: near ultraviolet	SHF: super high freq.	ULF: ultra-low freq.
visible light	UHF: ultra high freq.	SLF: super low freq.
NIR: near infrared	VHF: very high freq.	ELF: extremely low freq.

Energy	Source
52.5 QeV	energy released from a 20 kiloton of TNT equivalent explosion (e.g. the nuclear weapon yield of the Fat Man fission bomb)
12.2 ReV	the Planck energy
10 YeV	approximate grand unification energy
300 EeV	first ultra-high-energy cosmic ray particle observed, the so-called Oh-My-God particle
62.4 EeV	energy consumed by a 10-watt device (e.g. a typical LED light bulb) in one second (10 W = 10 J/s ≈ 6.24×1019 eV/s)
2 PeV	the highest-energy neutrino detected by the IceCube neutrino telescope in Antarctica
14 TeV	designed proton center-of-mass collision energy at the Large Hadron Collider (operated at 3.5 TeV since its start on 30 March 2010, reached 13 TeV in May 2015)
1 TeV	0.1602 μJ, about the kinetic energy of a flying mosquito
172 GeV	rest mass energy of the top quark, the heaviest elementary particle for which this has been determined
125.1±0.2 GeV	rest mass energy of the Higgs boson, as measured by two separate detectors at the LHC to a certainty better than 5 sigma
210 MeV	average energy released in fission of one Pu-239 atom
200 MeV	approximate average energy released in nuclear fission of one U-235 atom.
105.7 MeV	rest mass energy of a muon
17.6 MeV	average energy released in the nuclear fusion of deuterium and tritium to form He-4; this is 0.41 PJ per kilogram of product produced
2 MeV	approximate average energy released in a nuclear fission neutron released from one U-235 atom.
1.9 MeV	rest mass energy of up quark, the lowest-mass quark.
1 MeV	0.1602 pJ, about twice the rest mass energy of an electron
1 to 10 keV	approximate thermal energy, kBT, in nuclear fusion systems, like the core of the sun, magnetically confined plasma, inertial confinement and nuclear weapons
13.6 eV	the energy required to ionize atomic hydrogen; molecular bond energies are on the order of 1 eV to 10 eV per bond
1.65 to 3.26 eV	range of photon energy $({\tfrac {hc}{\lambda }})$ of visible spectrum from red to violet
1.1 eV	energy $E_{g}$ required to break a covalent bond in silicon
720 meV	energy $E_{g}$ required to break a covalent bond in germanium
< 120 meV	upper bound on the rest mass energy of neutrinos (sum of 3 flavors)
38 meV	average kinetic energy, 3/2kBT, of one gas molecule at room temperature
25 meV	thermal energy, kBT, at room temperature
230 μeV	thermal energy, kBT, at the cosmic microwave background radiation temperature of ~2.7 kelvin

 الطاقة المولية

One mole of particles given 1 eV of energy each has approximately 96.5 kJ of energy – this corresponds to the Faraday constant (F ≈ 96485 C⋅mol⁻¹), where the energy in joules of n moles of particles each with energy E eV is equal to E·F·n.

 گـِگا إلكترون فولت و تـِرا إلكترون ڤولت

نواجه عند دراستنا للفيزياء جسيمات أولية تعد طاقتها بمقادير عظيمة جدا ، تعد بالمليون إلكترون فولت وأعلى من ذلك بكثير . لذلك يستعمل الفيزيائيون اختصارات في التعبير تسهل تصور تلك الطاقات العظيمة وتسهل عملياتهم الحسابية ، وقد اختار الفيزيائيون مضاعفات للطاقة تكبر الواحدة عن الآخري بمقدار 1000 مرة ، وهي :

• keV ، كيلو إلكترون فولت = ألف إلكترون فولت
• MeV ، ميغا إلكترون فولت = ألف ألف إلكترون فولت (تبلغ كتلة الإلكترون 51و0 مليون إلكترون فولت)
• GeV ، جيجا إلكترون فولت = ألف مليون إلكترون فولت (تبلغ كتلة البروتون 94و0 جيجا إلكترون فولت )
• TeV ، تيرا إلكترون فولت = مليون مليون إلكترون فولت.

• يعمل أكبر معجل للبروتونات ، وهو مصادم الهدرونات الكبير على تسريع البروتونات بحيث تكتسب طاقة قدرها 7 تيرا إلكترون فولت . أي نحو 7000 جيجا إلكترون فولت . وهي طاقة يمكن أن ينشأ عنها نحو 7000 آلاف من البروتونات ، حيث أن كتلة البروتون تبلغ 94و0 جيجا إلكترون فولت .

 اقرأ أيضا

• Orders of magnitude (energy)
• طاقة
• جول
• وحدة طاقة
• سوابق SI

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .