Elektronenvolt

Einheit
Norm	Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen, Richtlinie 80/181/EWG
Einheitenname	Elektronenvolt
Einheitenzeichen	eV
Beschriebene Größe(n)	Energie, Masse, thermodynamische Temperatur
Größensymbol(e)	$E,\, Q,\, m,\, T$
Dimensionsname	Energie
Dimensionssymbol	E
In SI-Einheiten	1,602 176 565(35) · 10−19 kg·m2·s−2[1]
Benannt nach	Elektron, Alessandro Volta
Abgeleitet von	natürliche Basiseinheit

Das Elektronenvolt oder Elektronvolt (Einheitenzeichen: eV) ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Gesetzlich richtig und normgerecht ist in Deutschland nur die Bezeichnung Elektronvolt, siehe Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung^[2] sowie DIN 1301.^[3]

Definition

Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Teilchen mit der Ladung 1 e (Elementarladung) erhält, wenn es im Vakuum die Spannung von 1 V durchläuft, durch diese Beschleunigungsspannung eine höhere Geschwindigkeit und somit eine größere kinetische Energie gewinnt.

Der Wert der CODATA-Empfehlung ist:^[1]

$1~\mathrm{eV}=1{,}602\,176\,565(35)\cdot 10^{-19}~\mathrm{J}$

(also mit einer geschätzten Standardabweichung von 0,000000035 · 10⁻¹⁹ J)

In der Chemie wird oft nicht die Energie pro Teilchen angegeben, sondern die molare Energie (mit der Einheit J/mol). Diese erhält man durch Multiplikation mit der Avogadro-Konstante (vgl. Faraday-Konstante):

$1\,\mathrm{eV} \cdot N_\mathrm{A} = 1\,\mathrm{V} \cdot F = 1\,\mathrm{V} \cdot 96\,485\,\mathrm{C/mol} = 96\,485\,\mathrm{J/mol}$

Verwendung

Das Elektronenvolt wird als „handliche“ Einheit in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten wie der experimentellen Elementarteilchenphysik verwendet, siehe auch Natürliche Einheiten: Sowohl die Masse von Elementarteilchen als auch die Energie, auf die sie in Teilchenbeschleunigern gebracht werden, werden in Elektronenvolt angegeben. Die Umrechnung auf die Masse geschieht mit Hilfe der bekannten Gleichung aus der speziellen Relativitätstheorie

E = mc²,

wobei E für die Energie, m für die Masse und c für die Vakuumlichtgeschwindigkeit steht. Danach entspricht 1 eV/c² ungefähr 1,783·10⁻³⁶ kg.

Handlich deshalb, weil sich die Energie eines Teilchens, das im elektrischen Feld beschleunigt wird, mit $E = U \cdot Q$ (E ist hier die Energie, nicht die Feldstärke) berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen (wie Richtung, Länge, Feldstärkenverlauf) ist. Viele Teilchen tragen aber gerade die Elementarladung, anstatt also die Elementarladung einzusetzen und zu rechnen, kann man einfach eV benutzen. Solange man ausschließlich Elementarteilchen betrachtet, muss man nichts umrechnen, das wird erst nötig, wenn die Wirkung auf makroskopische Objekte interessiert.

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt sind:

• keV (Kilo-Elektronenvolt) (die Photonen der Röntgenstrahlung haben etwa 1-250 keV)
• MeV (Mega-Elektronenvolt) (die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,51 MeV)
• GeV (Giga-Elektronenvolt) (die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,94 GeV)
• TeV (Tera-Elektronenvolt)

Siehe auch: Vorsätze für Maßeinheiten

Die kinetische Energie von schnell bewegten schwereren Atomkernen (Schwerionen) gibt man häufig pro Nukleon an. Als Einheit wird dann AGeV geschrieben, wobei A für die Massenzahl steht. Es gilt: Jeder Kern mit 1 AGeV besitzt die gleiche Geschwindigkeit. Analog gibt es je nach Energieskala das ATeV und das AMeV.

Als Vergleich: Die Spaltprodukte einer Kernspaltung von Uran haben eine Bewegungsenergie von zusammen etwa 167 MeV. Ein typisches Molekül in der Atmosphäre hat eine Bewegungsenergie (thermische Energie) von etwa 0,03 eV. Die Photonen von sichtbarem Licht (rot) haben eine Energie von etwa 2 eV. Im LHC am CERN ist geplant, Protonen mit einer Energie von 14 TeV und Bleikerne mit 1146 TeV miteinander kollidieren zu lassen. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ca. 2 µJ bzw. 180 µJ ist dabei immer noch sehr gering (der Energiewert einer Tafel Schokolade mit 2200 kJ entspricht dem 1,1-Billionen- bzw. 12-Milliardenfachen). Berücksichtigt man aber die große Anzahl der Teilchen (1,15 × 10¹¹ Protonen pro Puls, im Ring des LHC befinden sich bis zu 2808 Pulse ^[4]) kommt ein einzelner Puls mit 258 kJ schon nah an die Tafel Schokolade heran. Die Gesamtenergie der im Ring befindlichen Protonen übersteigt diese mit 724 MJ bei weitem.

Um die mittlere kinetische Energie der Teilchen eines idealen Gases in die Temperatur des Gases umzurechnen, multipliziert man mit $\frac{2}{3}\cdot 11605~\frac{\mathrm{K}}{\mathrm{eV}}$ siehe auch Maxwell-Boltzmann-Verteilung.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology, abgerufen am 17. Juni 2011.  Wert für ein Elektronvolt, veröffentlicht durch das amerikanische National Institute of Standards and Technology mit CODATA als Datenquelle
2. ↑ Ausführungsverordnung zum Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung. 13. Dezember 1985 (PDF).
3. ↑ DIN 1301 Einheiten. Teil 1: Einheitennamen, Einheitenzeichen. Oktober 2002, S. 6.
4. ↑ LHC Design Report