Elektronvolt
De elektronvolt (afkorting eV) is een eenheid van energie, die vooral gebruikt wordt voor energieën en massa's van subatomaire deeltjes. Eén eV is de energieverandering die een vrij deeltje met een lading gelijk aan de elementaire lading ondervindt wanneer het in een elektrisch veld een weg aflegt tussen twee punten die een onderling potentiaalverschil van 1 volt hebben.
Een elektronvolt is een zeer kleine hoeveelheid energie:
- 1 eV = 1,60217653 × 10–19 joule;
1 J = 6,2415096 × 1018 eV.
De vermenigvuldigingsfactoren uit het SI-stelsel worden ook voor de elektronvolt gebruikt: men spreekt over keV (kilo-elektronvolt, 1000 eV), MeV (mega-, 106), GeV (giga-, 109) en TeV (tera-, 1012).
In de deeltjesfysica wordt de energie van systemen en deeltjes meestal uitgedrukt in elektronvolt, omdat de joule uit het SI-stelsel voor microscopische hoeveelheden een onhandelbaar grote eenheid is. De energieniveaus van atomen, de bewegingsenergie van elektronen en de kracht van een deeltjesversneller worden in deze eenheid uitgedrukt. Ook de energie van elektromagnetische straling wordt soms uitgedrukt in elektronvolt. Fotonen van zichtbaar licht hebben een energie van enkele elektronvolts, voor röntgenstraling is dat 1 tot 100 keV, en voor gammastraling enkele tot vele MeV.
Bij halfgeleider-lichtbronnen als LEDs is er een directe relatie tussen de energie van de uitgestraalde fotonen in eV en de spanningsval over het element. Een rode LED heeft ongeveer 1,6 V nodig, een gele 2,4 V en een blauwe 3,6 V.
Ook in beeldbuizen blijkt dat de "hardheid" van de (onbedoeld) opgewekte röntgenstraling evenredig is met de hoogte van de versnelspanning (20 - 30 kV).
[bewerk] De elektronvolt als eenheid van massa
Net zoals de joule voor energie, is de kilogram een onhandig grote eenheid van massa voor microscopische hoeveelheden zoals deeltjes. Daarom gebruikt men voor atoommassa's de atomaire massa-eenheid (u) en voor subatomaire deeltjes de elektronvolt. Weliswaar is de eV een eenheid van energie, maar hij is ook geschikt als massa-eenheid, doordat de massa van een deeltje evenredig is met zijn inwendige energie.
Het verband tussen massa m en energie E is een formule uit Einsteins speciale relativiteitstheorie:
waarin c de lichtsnelheid is.
Een elektronvolt is dus een zeer kleine hoeveelheid massa:
- 1 eV = 1,7826619 × 10–36 kg;
1 kg = 5,6095888 × 1035 eV.
In dit geval zorgen de voorvoegsels k-, M- en G- ervoor dat uiteenlopende massa's allemaal eenvoudig uitgedrukt kunnen worden. De massa van een elektron is ongeveer 511 keV (0,511 MeV), die van een proton 938 MeV en die van het W-boson 80 GeV.
[bewerk] De elektronvolt als eenheid van temperatuur
In de natuurkunde worden soms ook temperaturen uitgedrukt in elektronvolt, bijvoorbeeld in modellen voor het vroege heelal. Men gaat uit van de relatie E = k·T, waarin E de energie is, k de constante van Boltzmann, en T de temperatuur.
Een energie van 1 eV correspondeert dan met een temperatuur van 11604,505 Kelvin. Kamertemperatuur (20°C = 293 K) is ongeveer 0,025 eV.
Vooral in de kernfysica is het gebruikelijk te werken met zogenoemde "natuurlijke eenheden" of Planck-eenheden. De "natuurlijke" eenheden van massa, lengte, tijd en temperatuur worden daarbij zo gekozen dat de constanten van Planck (h) en Boltzmann (k), en de lichtsnelheid (c), alle de getalswaarde 1 krijgen. Zo kunnen allerlei grootheden worden uitgedrukt in elektronvolts (vaker: MeV's of GeV's). Voor niet-ingewijden levert dit eenhedenstelsel vaak veel verwarring en hoofdbrekens op; voor de wikipedia moet het worden ontraden.
