エレクトロンボルト

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、真空中で1ボルトの電位差で加速する単一の電子によって得られる運動エネルギーの量の尺度である。エネルギーの単位として使用する場合、ジュール（記号J）での1 eVの数値は、クーロン（記号C）での電子の電荷の数値に等しい。2019年のSI改訂では、1 eVは正確に次の値に等しくなる。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 を通過した後にエネルギーE = qVを得るためです。

電子ボルトは、1つの電子が1ボルトの電位差を通過するときに獲得または失われるエネルギーの量です。したがって、1ボルトの値を持ち、1 J/C、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 単位ではありません。物理学では一般的に使用されるエネルギーの単位で、固体、原子、核、粒子物理学、高エネルギー天体物理学で広く使用されています。SI接頭辞の 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 ) が付けられ、それぞれの記号は meV、keV、MeV、GeV、TeV、PeV、EeV です。エネルギーの SI 単位はジュール (J) です。

いくつかの古い文書やBevatronという名前では、記号BeVが使用されています。ここで、B は10 億を表します。したがって、記号BeVはGeVと同等ですが、どちらも SI 単位ではありません。

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、理論上重要な基本定数との積として電子ボルトから派生した単位を使用して測定されることが多いです。

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は真空中の光速である（ E = mc ²より）。質量を質量の単位としてeVで非公式に表すのが一般的であり、 cを1とする自然単位系を効果的に使用している。^[3]1 eV/ c ²は次のようになります。

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

例えば、電子と陽電子は、それぞれ質量が0.511 MeV/ c ²、消滅して1.022 MeV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]

原子質量定数( m _u ) は炭素 12 原子の質量の 12 分の 1 で、陽子の質量に近いです。電子ボルト質量当量に変換するには、次の式を使用します。

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を使用して表すことがあります。

自然単位系でのエネルギーと運動量の関係 （） は、ピタゴラスの定理 です。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ように近似することができ、 eV 単位で表された適用エネルギーは、 eV/ c単位で表された運動量の変化と数値的にほぼ等価になります。 $${\displaystyle E^{2}=p^{2}c^{2}+m_{0}^{2}c^{4}}$$${\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使用し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います。 $${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\times (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\times (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}/{\text{s}}.}$$

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、すなわちc = ħ = 1 が広く使用されています。これらの単位では、距離と時間の両方が逆エネルギー単位で表されます (エネルギーと質量は同じ単位で表されます。質量エネルギー等価性を参照)。特に、粒子の散乱長は、粒子の質量の逆数の単位を使用して表されることが多いです。

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）で表すことも可能で、Γ = ħ / τとなる。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中間子の微小な質量差は、より便利な逆ピコ秒で表現されることが多いです。

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。 $${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{11}\;{\text{mm}}/{\text{s}})\times (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}{\cdot }{\text{s}})}}\thickapprox 806.55439\;{\text{mm}}^{-1}.}$$

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使用すると便利です。電子ボルトをボルツマン定数で割ると、ケルビンスケールに変換されます。 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想定されます。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：k _B Tは約0.025 eV (≈ ⁠290K/11604 キロボルト⁠）の温度で20℃です。

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 とき、次のように関係付けられる。^[6] 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テラヘルツ。

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。これにより、核反跳エネルギーは、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) と区別されます。たとえば、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、散乱が発生する媒体によって異なり、各材料について経験的に確立する必要があります。

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。

• 桁数（エネルギー）

• NIST の基本物理定数