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Elektronenvolt

Maßeinheit für Energie
(Weitergeleitet von Elektronvolt)
Physikalische Einheit
Einheitenname Elektronenvolt
Einheitenzeichen
Physikalische Größe(n) Energie
Formelzeichen
Dimension
System Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen
In SI-Einheiten (exakt)
Benannt nach Elektron, Alessandro Volta
Abgeleitet von Volt, Elementarladung

Das Elektronenvolt, amtlich Elektronvolt, ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Sie setzt sich zusammen aus der Elementarladung e und der Spannung in Volt (V). Ihr Einheitenzeichen ist daher eV.

Wird ein einfach geladenes Teilchen wie beispielsweise ein Elektron oder ein Proton im Vakuum in einem elektrischen Feld beschleunigt, so ändert sich seine kinetische Energie um genau ein Elektronenvolt, wenn die Beschleunigungsspannung 1 Volt beträgt. In der SI-Einheit Joule ausgedrückt ist sein Wert exakt:[1]

Der Wert ist deshalb exakt, weil für die Definition der SI-Einheiten (so auch des Volt) die Elementarladung einen festen Wert von 1,602176634·10−19 C zugewiesen bekam. Das Elektronvolt gehört zwar nicht wie das Joule zum Internationalen Einheitensystem, ist aber zum Gebrauch mit ihm zugelassen[1] und eine gesetzliche Maßeinheit in der EU und der Schweiz.[2]

BenennungBearbeiten

Die Einheit wird in der deutschsprachigen Fachliteratur überwiegend als „Elektronenvolt“ bezeichnet, also mit dem Morphem „en“ zwischen „Elektron“ und „volt“.

Andererseits legt Anlage 1 Nr. 10 (zu § 1) der Einheitenverordnung für die gesetzliche Einheit den besonderen Namen „Elektronvolt“ fest. Seit dem 3. Oktober 2009 verweist § 1 Abs. 2 der Einheitenverordnung dabei auf die Definitionen, die in Kapitel I des Anhangs der Richtlinie 80/181/EWG vom 20. Dezember 1979 in ihrer jeweils geltenden Fassung aufgeführt sind.[3]

Die DIN-Norm 1301-1 „Einheiten – Einheitennamen, Einheitenzeichen“ vom Oktober 2010 empfiehlt die Form „Elektronvolt“.[4] In Datenverarbeitungsanlagen mit beschränktem Zeichenvorrat dürfen die Einheitennamen und Vorsätze nach DIN 66030, Ausgabe Mai 2002, dargestellt werden (§ 2 der Einheitenverordnung). Diese verwendet die Bezeichnung „Elektronenvolt“.[5]

VerwendungBearbeiten

Als Einheit für die EnergieBearbeiten

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   jedes im elektrischen Feld beschleunigten Teilchens aus seiner Ladung   und der durchlaufenen Spannung   als   berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen ist: Die Masse des Teilchens, die Länge des Weges oder der genaue räumliche Verlauf der Feldstärke spielen keine Rolle.

Der Betrag der Ladung eines freien, beobachtbaren Teilchens ist immer die Elementarladung   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 für einfach geladene Teilchen – wie Elektronen, Protonen und einfach geladene Ionen – die Formel  ; bei  -fach geladenen Teilchen gilt entsprechend  . 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“); im umgekehrten Fall nimmt sie ab. Für negativ geladene Teilchen gilt dasselbe mit umgekehrten Vorzeichen (siehe z. B. Gegenfeldmethode beim Photoeffekt).

Die Verwendung der Einheit Elektronenvolt ist nicht auf Beschleunigungsarbeit an geladenen Teilchen im elektrischen Feld beschränkt. Da sie eine für die Atom- und Kernphysik günstige Größenordnung hat, wird sie häufig für ganz andere Energien im mikroskopischen Maßstab verwendet, etwa für Bindungsenergien in der Atomhülle oder im Atomkern oder für die Energie von einzelnen Photonen.

Als Einheit für die Masse in der TeilchenphysikBearbeiten

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.

 ,

wobei

  •   für die Energie
  •   für die Masse und
  •   für die Lichtgeschwindigkeit steht.

Die entsprechende Masseneinheit ist also  . Die Umrechnung in Kilogramm lautet:

 .

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   gesetzt. Damit hat die Masse eines Teilchens die gleiche Einheit wie seine kinetische Energie. Beide werden dann üblicherweise in Elektronenvolt angegeben.

Dezimale VielfacheBearbeiten

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt sind:

Weitere Beispiele und BemerkungenBearbeiten

Die kinetische Energie schnell bewegter schwererer Atomkerne (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 werden Protonen mit einer Energie von 6,5 TeV und Bleikerne mit 574 TeV zur Kollision gebracht. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ca. 1 µJ (für ein Proton) bzw. 90 µJ (für Blei) 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[7]), so 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 MolBearbeiten

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   erhält, zum Beispiel:

 ,

wobei   die Faraday-Konstante ist.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Le Système international d’unités. 9e édition, 2019 (die sogenannte „SI-Broschüre“, französisch und englisch).
  2. aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU und Art. 17 der Einheitenverordnung in der Schweiz
  3. „Das Elektronvolt ist die Energie, die ein Elektron bei Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1 Volt im Vakuum gewinnt.“
  4. DIN 1301 Einheiten. Teil 1: Einheitennamen, Einheitenzeichen. Oktober 2010, S. 8.
  5. DIN 66030 Informationstechnik – Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat. Mai 2002, S. 5, Tabelle 1.
  6. Event view of highest energy neutrino detected by IceCube – CERN Courier. Abgerufen am 2. Januar 2019.
  7. LHC Design Report (Memento des Originals vom 8. September 2009 im Internet Archive)   Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2Vorlage:Webachiv/IABot/ab-div.web.cern.ch