電子ボルト

Unit of energy

電子ボルト
単位系	SI非対応単位
単位	エネルギー
シンボル	eV
コンバージョン
1 eVで ...	...は...と等しい
ジュール（SI）	1.602 176 634 × 10 −19  J ‍ [ 1]

物理学において、電子ボルト（記号eV ）は、電子ボルトや電子ボルトとも表記され、真空中において1ボルトの電位差で加速する電子1個によって得られる運動エネルギー量に相当する測定単位である。エネルギーの単位として使用する場合、ジュール（記号J）で表される1eVの数値は、クーロン（記号C）で表される電子の電荷の数値と等しい。2019年のSI改訂では、1eVは正確に次の値と等しくなる。1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  J . ^[1]歴史的に、電子ボルトは静電粒子加速器科学における有用性を通じて標準測定単位として考案されました。これは、電荷 qを持つ粒子が電圧Vを通過した後、エネルギーE = qVを得るためです。

定義と使用

電子ボルトとは、1個の電子が1ボルトの電位差を通過する際に得る、または失うエネルギーの量です。したがって、その値は1ボルトであり、1 J/Cに素電荷 e を 掛けると1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C . ^[2]したがって、1電子ボルトは1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  J . ^[1]

電子ボルト（eV）はエネルギーの単位ですが、SI単位系ではありません。物理学では一般的に用いられるエネルギーの単位で、固体物理学、原子物理学、核物理学、素粒子物理学、高エネルギー天体物理学で広く用いられています。SI単位系の接頭辞として、 ミリ（10 ^-3）、キロ（10 ³）、メガ（10 ⁶）、ギガ（10 ⁹）、テラ（10 ¹²）、ペタ（10 ¹⁵）、エクサ（10 ¹⁸）、ゼタ（10 ²¹）、ヨタ（10 ^{24 ）、}ロン（10 ²⁷）、クエタ（10 ³⁰）が用いられ、それぞれの記号はmeV、keV、MeV、GeV、TeV、PeV、EeV、ZeV、YeV、ReV、QeVです。エネルギーの SI 単位はジュール (J) です。

古い文書やBevatronという名称では、 BeVという記号が使われています。ここでBは10億を表します。したがって、 BeVという記号はGeVと同等ですが、どちらもSI単位ではありません。

他の物理的特性および単位との関係

量	ユニット	SI単位の値
エネルギー	eV	1.602 176 634 × 10 −19  J ‍ [ 1]
質量	eV/ c 2	1.782 661 92 × 10 −36  kg
勢い	eV/ c	5.344 285 99 × 10 −28  kg·m/s
温度	eV / kB	11 604 .518 12  K
時間	ħ /eV	6.582 119 × 10 −16 秒
距離	ħc /eV	1.973 27 × 10 −7 メートル

電子ボルトが使用される物理学の分野では、他の量は通常、電子ボルトから派生した単位を使用して測定され、理論上重要な基本定数との積がよく使用されます。

質量

質量エネルギー等価性により、電子ボルトは質量の単位に対応する。質量とエネルギーの単位がしばしば交換される素粒子物理学では、質量をeV/ c ²の単位で表すのが一般的である。ここでcは真空中の光速（ E = mc ²より）である。質量をeVを単位として非公式に表すことは一般的であり、これはcを1とする自然単位系を効果的に用いている。[ 3 ^]1 eV/ c ²は:

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

例えば、電子と陽電子はそれぞれ質量が0.511 MeV/ c ²は消滅して1.022MeVのエネルギーを持ちます。陽子の質量は0.938 GeV/ c ² 。一般に、すべてのハドロンの質量は次のオーダーである。1 GeV/ c ²であり、これは素粒子物理学における質量の便利な単位となる。^{[ 4]}

1 GeV/ c ² =1.782 661 92 × 10 ⁻²⁷  kg .

原子質量定数（μu _）は炭素12原子の質量の12分の1であり、陽子の質量に近い。電子ボルト質量当量に変換するには、次の式を用いる。

m _u = 1 Da =931.4941 MeV/ c ² =0.931 4941  GeV/ c ²。

勢い

粒子の運動エネルギー（電子ボルト）を基本定数c（光速）で割ることで、粒子の運動量をeV/ cの単位で表すことができます。^{[5]基本速度定数}cが数値的に1である自然単位では、cを省略して運動量を単位電子ボルトで表すことがあります。

自然単位におけるエネルギーと運動量の関係は、全エネルギーが斜辺、運動量と静止質量が 2 本の脚である直角三角形として視覚化できるピタゴラスの方程式です。 ${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$ ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle p}$ ${\displaystyle m_{0}}$

自然単位系におけるエネルギーと運動量の関係（）は、ピタゴラスの定理である。比較的高いエネルギーが比較的低い静止質量を持つ粒子に加えられる場合、高エネルギー物理学におけるのように近似することができ、 を単位 eV で表したエネルギーは、 を単位 eV/ cで表した運動量の変化とほぼ等価となる。 $${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$ ${\displaystyle c=1}$ $${\displaystyle E^{2}=p^{2}+m_{0}^{2}}$$ ${\displaystyle E\simeq p}$

運動量の次元はT ⁻¹ L Mです。エネルギーの次元はT ⁻² L ² Mです。エネルギーの単位（eVなど）を速度（ T ⁻¹ L ）の次元を持つ基本定数（光速など）で割ると、エネルギーの単位を用いて運動量を定量化するために必要な変換が容易になります。

例えば、電子の運動量pが1 GeV/ cの場合、 MKS 単位系への変換は次のように行えます。 $${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

距離

素粒子物理学では、真空中の光速cと換算プランク定数 ħが無次元で1に等しい自然単位系（ c = ħ = 1 ）が広く用いられている。これらの単位では、距離と時間の両方がエネルギーの逆数で表される（エネルギーと質量は同じ単位で表される。質量エネルギー等価性を参照）。特に、粒子の散乱長は、粒子質量の逆数で表されることが多い。

この単位系以外では、電子ボルト、秒、ナノメートル間の変換係数は次のとおりです。 $${\displaystyle \hbar =1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ \mathrm {J{\cdot }s} =6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ \mathrm {eV{\cdot }s} .}$$

上記の関係式は、不安定粒子の平均寿命 τ（秒）を崩壊幅Γ（eV）で表すことも可能にする。Γ = ħ / τ。例えば、B⁰
中間子の寿命は1.530(9) ピコ秒で、平均崩壊長はcτ =459.7 μm、または崩壊幅4.302(25) × 10 ⁻⁴  eV。

逆に、中間子振動の原因となる微小な中間子質量差は、より便利な逆ピコ秒で表現されることが多い。

電子ボルト単位のエネルギーは、同じエネルギーの光子を持つ光の波長によって表現されることがあります。 $${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})\times (2.99\ 792\ 458\times 10^{11}\;{\text{mm}}/{\text{s}})}}\thickapprox 806.55439\;{\text{mm}}^{-1}.}$$

温度

プラズマ物理学などの特定の分野では、温度を表すのに電子ボルトを用いるのが便利です。電子ボルトをボルツマン定数で割るとケルビン温度に変換されます。ここでk _Bはボルツマン定数です。 $${\displaystyle {1\,\mathrm {eV} /k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}},}$$

k _{B は}、電子ボルトを使用して温度を表すときに仮定されます。たとえば、典型的な磁気閉じ込め核融合プラズマは15 keV（キロ電子ボルト）は、174 MK（メガケルビン）に相当します。

近似値として、温度T =20℃、 k _B Tは約0.025 eV (≈ ⁠290キロ/11604 K/eV⁠）。

波長

可視スペクトルにおける光子のエネルギー（eV）

波長（nm）とエネルギー（eV）のグラフ

光子のエネルギーE、周波数ν、波長λは、 hがプランク定数、cが光速である 関係にある。これは^[6]のように簡約される 。波長λの光子は、 $${\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}={\frac {\mathrm {4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm {299\,792\,458\;m/s} }{\lambda }}}$$ $${\displaystyle {\begin{aligned}E&=4.135\ 667\ 696\times 10^{-15}\;\mathrm {eV/Hz} \times \nu \\[4pt]&={\frac {1\ 239.841\ 98\;\mathrm {eV{\cdot }nm} }{\lambda }}.\end{aligned}}}$$532 nm（緑色光）のエネルギーは約2.33 eV。同様に、1 eVは波長の赤外線光子に相当する。1240 nmまたは周波数241.8 THz。

散乱実験

低エネルギー核散乱実験では、核反跳エネルギーをeVr、keVrなどの単位で表すのが一般的です。これは、核反跳エネルギーをシンチレーション光で測定される「電子等価」反跳エネルギー（eVee、keVeeなど）と区別するためです。例えば、光電管の収率はphe/keVee（keV電子等価エネルギーあたりの光電子数）で測定されます。eV、eVr、eVeeの関係は散乱が起こる媒質によって異なり、それぞれの物質について経験的に確立する必要があります。

エネルギー比較

光子の周波数とエネルギー粒子（電子ボルト単位）。光子のエネルギーは、光速に関連する光子の周波数のみによって変化します。これは、エネルギーが速度と静止質量に依存する質量粒子とは対照的です。^{[7] [8] [9]}

伝説
γ：ガンマ線	MIR：中赤外線	HF:高周波
HX: 硬X線	FIR：遠赤外線	MF:中周波数
SX：軟X線	電波	LF:低周波
EUV：極端紫外線	EHF:非常に高い周波数。	VLF:非常に低い周波数。
NUV:近紫外線	SHF:超高周波。	ULF:超低周波。
可視光	UHF:極超短波。	SLF:超低周波。
NIR:近赤外線	VHF:非常に高い周波数。	ELF:極めて低い周波数。

エネルギー	ソース
10  Y eV	大統一エネルギーのおおよその値
120  P eV	南極のアイスキューブニュートリノ望遠鏡で検出された最高エネルギーニュートリノ[10]
14 TeV	大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における陽子重心衝突エネルギーの設計値（2010年3月30日の開始以来3.5 TeVで運転され、2015年5月に13 TeVに到達）
125.1 ± 0.2 GeV	ヒッグス粒子の静止質量エネルギー。LHCの2つの別々の検出器で5シグマ以上の精度で測定された[11]
105.7 MeV	ミューオンの静止質量エネルギー
0.511 MeV	電子の静止質量エネルギー
13.6 eV	水素原子をイオン化する ために必要なエネルギー。分子結合エネルギーは約 1 eVから結合あたり10 eV
1.65～3.26 eV	赤から紫までの可視スペクトルの光子エネルギー の範囲 ${\displaystyle ({\tfrac {hc}{\lambda }})}$
38 meV	平均運動エネルギー、⁠3/2⁠ k B T 、室温での1つの気体分子
230μeV	宇宙マイクロ波背景放射温度約2.7 ケルビンにおける熱エネルギーk B T

モルエネルギー

1eVのエネルギーを与えられた1モルの粒子はそれぞれ約96.5kJのエネルギーを持ちます。これはファラデー定数（F ≈96 485  C⋅mol ⁻¹ ）、ここで、エネルギーE eVを持つnモルの粒子のジュール単位のエネルギーはE · F · n に等しい。

参照

• 桁違いのエネルギー

参考文献

1. 「2022 CODATA値：電子ボルト」。定数、単位、不確かさに関するNISTリファレンス。NIST。2024年5月。2024年5月18日閲覧。
2. 「2022 CODATA値：素電荷」。定数、単位、不確かさに関するNISTリファレンス。NIST 。2024年5月。2024年5月18日閲覧。
3. Barrow, JD (1983). 「プランク以前の自然単位」.王立天文学会季刊誌. 24 : 24.書誌コード:1983QJRAS..24...24B.
4. Gron Tudor Jones. 「素粒子物理学におけるエネルギーと運動量の単位」（PDF） . Indico.cern.ch . 2022年6月5日閲覧。
5. 「素粒子物理学の単位」. Associate Teacher Institute Toolkit . Fermilab. 2002年3月22日. 2011年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年2月13日閲覧。
6. 「2022 CODATA値：プランク定数（eV/Hz）」NIST定数、単位、不確かさに関する参考資料。NIST 。2024年5月。 2024年5月18日閲覧。
7. Molinaro, Marco (2006年1月9日). 「光とは何か？」(PDF) .カリフォルニア大学デービス校. IST 8A (生命に光を当てる) - W06. 2007年11月29日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年2月7日閲覧。
8. Elert, Glenn. 「電磁スペクトル、物理学ハイパーテキストブック」. hypertextbook.com. 2016年7月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年7月30日閲覧。
9. 「周波数帯域の定義」Vlf.it. 2010年4月30日時点のオリジナルよりアーカイブ。2010年10月16日閲覧。
10. KM3NeTコラボレーション (2014年5月21日). 「IceCubeで観測される天体ニュートリノ信号は増加傾向にあり、2ペタエボルトのニュートリノが観測されている」. Nature . 638 (8050): 376– 382. doi :10.1038/s41586-024-08543-1. PMC 11821517. PMID 39939793  . {{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
11. ATLAS ; CMS (2015年3月26日). 「ATLAS実験とCMS実験による√s=7および8TeVのpp衝突におけるヒッグス粒子質量の複合測定」. Physical Review Letters . 114 (19) 191803. arXiv : 1503.07589 . Bibcode :2015PhRvL.114s1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.114.191803 . PMID  26024162.

外部リンク

• NISTの基本物理定数

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electronvolt&oldid=1324483405"