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Elektronenvolt

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Physikalische Einheit
Einheitenname Elektronenvolt
Einheitenzeichen eV
Physikalische Größe Energie
Formelzeichen E
Dimension 𝖬𝖫𝟤𝖳−𝟤
System Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen
In SI-Einheiten 1 eV = 1.602176634e-19 J (exakt)
Benannt nach Elektron, Alessandro Volta
Abgeleitet von Volt, Elementarladung

Das Elektronenvolt, amtlich Elektronvolt, ist eine Einheit der Energie, die in der Atom- und Festkörperphysik sowie der Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Es entspricht dem Produkt aus der Elementarladung e und der Maßeinheit Volt (V). Sein Einheitenzeichen ist eV.

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]

Definition und Wert

Das Elektronvolt ist definiert als die kinetische Energie, die ein Elektron bei Durchlaufen einer Beschleunigungsspannung von 1 Volt gewinnt.[3] Es ist somit gleich dem Produkt aus der Elementarladung e und der Maßeinheit Volt (V).

Umgerechnet in die SI-Einheit Joule hat das Elektronvolt den Wert

1 eV=e⋅1 V=1,602176634⋅10−19 J.

Dieser Zahlenwert ist exakt, weil für die Definition der SI-Einheiten die Elementarladung e den Wert 1.602176634e-19 C zugewiesen bekam[4] und weil für die Maßeinheiten definitionsgemäß gilt: 1 C · 1 V = 1 J (Kohärenz des SI).

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 NA erhält. Es gilt:

1 eV=^96485 Jmol und 100kJmol =^ 1,036 eV,

wobei 96485 der gerundete Zahlenwert der Faraday-Konstante F=e⋅NA in der Einheit C/mol ist.

In der Thermodynamik ist die Temperatur mit der Energie über die Boltzmann-Konstante kB ≈ 8.6173e-5 eV/K verknüpft. Hier gilt somit:

1 eV=^11605 K und 1K=^86,173μeV.

Die Frequenz elektromagnetischer Strahlung ist mit der Energie der Photonen über die Planck-Konstante h ≈ 4.1357e-15 eV·s verknüpft. Entsprechend gilt die Beziehung:

1 eV=^241,80 THz und 1GHz=^4,1357μeV.

Bezeichnung

Name

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

Technische und gesetzliche Normen hingegen verwenden durchgehend „Elektronvolt“, insbesondere

Einheitenzeichen

Die Kurzform „eV“ ist, trotz der formalen Ähnlichkeit, nicht das Produkt aus Elementarladung e und Volt, sondern ein eigenes Einheitensymbol.[1][9] Daher sind die Buchstaben „eV“ untrennbar und können mit SI-Präfixen versehen werden. Das Einheitenzeichen folgt nicht der für SI-Einheiten gültigen Konvention, nach der nur der erste Buchstabe ein Großbuchstabe sein kann.

Energy comparisons

Photon frequency vs. energy particle in electronvolts. The energy of a photon varies only with the frequency of the photon, related by the speed of light. This contrasts with a massive particle of which the energy depends on its velocity and rest mass.[12][13][14]
Legend
γ: gamma rays MIR: mid-infrared HF: high freq.
HX: hard X-rays FIR: far infrared MF: medium freq.
SX: soft X-rays radio waves LF: low freq.
EUV: extreme ultraviolet EHF: extremely high freq. VLF: very low freq.
NUV: near ultraviolet SHF: super high freq. ULF: ultra-low freq.
visible light UHF: ultra high freq. SLF: super low freq.
NIR: near infrared VHF: very high freq. ELF: extremely low freq.
Energy Source
10 YeV approximate grand unification energy
120 PeV the highest-energy neutrino detected by the KM3NeT neutrino telescope[15]
14 TeV designed proton center-of-mass collision energy at the Large Hadron Collider (operated at 3.5 TeV since its start on 30 March 2010, reached 13 TeV in May 2015)
125.1 0.2 GeV rest mass energy of the Higgs boson, as measured by two separate detectors at the LHC to a certainty better than 5 sigma[16]
105.7 MeV rest mass energy of a muon
0.511 MeV rest mass energy of an electron
13.6 eV energy required to ionize atomic hydrogen; molecular bond energies are on the order of Vorlage:val to Vorlage:val per bond
1.65 to 3.26 eV range of photon energy (hcλ) of visible spectrum from red to violet
38 meV average kinetic energy, Vorlage:math[[kT (energy)|Vorlage:math]], of one gas molecule at room temperature
230 μeV thermal energy, [[kT (energy)|Vorlage:math]], at the cosmic microwave background radiation temperature of ~2.7 kelvin

Molar energy

One mole of particles given 1 eV of energy each has approximately 96.5 kJ of energy – this corresponds to the Faraday constant (F ≈ Vorlage:val), where the energy in joules of n moles of particles each with energy E eV is equal to E·F·n.

Verwendung

Das Elektronvolt wird vor allem in der Atomphysik, der Kernphysik und der Elementarteilchenphysik verwendet. Atomare Anregungen liegen typischerweise in der Größenordnung einiger eV, ebenso Bandlücken in Festkörpern. Bindungsenergien und Anregungen von Atomkernen sind von der Größenordnung einiger MeV. Auch die Energie hochenergetischer Photonen (Röntgenstrahlung, Gammastrahlung) wird gerne in keV oder MeV angegeben.

Besonders praktisch ist die Verwendung dieser Einheit im Zusammenhang mit der Beschleunigung geladener Teilchen durch elektrische Felder – sei es in Elektronenröhren (siehe z. B. Franck-Hertz-Versuch), Elektronenmikroskopen oder Teilchenbeschleunigern. Die Änderung der kinetischen Energie ΔEkin des beschleunigten Teilchens ist das Produkt aus seiner Ladung Q und der durchlaufenen Spannung U

ΔEkin=U⋅Q,

unabhängig von anderen Einflüssen – 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 e oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Daher kann man die aus einer elektrischen Beschleunigung resultierende Änderung der kinetischen Energie ohne große Rechnung in der Einheit eV angeben. So ändert sich beispielsweise die kinetische Energie eines Protons (Q = 1 e) beim Durchfliegen einer Potentialdifferenz von 100 V um 100 eV, die Energie eines zweifach geladenen Heliumkerns ändert sich um 200 eV.

Die kinetische Energie schwererer Atomkerne (Schwerionen) gibt man häufig „pro Nukleon“ an (Ekin/A), wobei A für die Massenzahl steht. Manchmal schreibt man als Energieeinheit dann AMeV bzw. AGeV, was aber nicht normgerecht ist, weil Zusatzinformationen nicht an Einheitenbezeichnungen angefügt werden dürfen.

Das Elektronvolt wird auch als Einheit der Masse von Teilchen verwendet. Die Umrechnung von Masse in Energie geschieht gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie:

E0=mc2⇔m=E0c2,

wobei

Die entsprechende Masseneinheit ist also eV/c2. Bei Verwendung „natürlicher“ Einheiten setzt man c = 1 und gibt die Masse in eV an. Die Umrechnung in Kilogramm lautet:

1eV/c2≈1,783⋅10−36kg.

Beispielsweise beträgt die Masse eines Elektrons 511 keV/c2.

Dezimale Vielfache

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt (inkl. eines Beispiels) sind:

μeV Mikroelektronenvolt 10−6 eV Die Hyperfeinstruktur-Aufspaltung im Wasserstoffatom (HI-Linie) hat eine Energiedifferenz von etwa 5,9 μeV.
meV Millielektronenvolt 10−3 eV Ein Gasmolekül hat bei Raumtemperatur eine durchschnittliche kinetische Energie von 39 meV.
eV Elektronenvolt 100 eV Ein Photon der Wellenlänge 620 nm (rotes Licht) hat eine Energie von 2 eV.
keV Kiloelektronenvolt 103 eV Photonen der Röntgenstrahlung für medizinische Diagnostik haben Energien um 30…150 keV.
MeV Megaelektronenvolt 106 eV Die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,511 MeV. Bei der Kernspaltung werden etwa 200 MeV pro Atomkern freigesetzt.
GeV Gigaelektronenvolt 109 eV Die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,938 GeV.
TeV Teraelektronenvolt 1012 eV Protonen im Large Hadron Collider (LHC) am CERN haben eine maximale kinetische Energie von 6,8 TeV.
PeV Petaelektronenvolt 1015 eV Die höchste je beobachtete Energie eines kosmischen Neutrinos betrug rund 220 PeV.[17]
EeV Exaelektronenvolt 1018 eV Das Oh-My-God-Teilchen hatte eine Energie von 320 ± 93 EeV.[18]

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c Das Internationale Einheitensystem (SI), Deutsche Übersetzung der SI-Broschüre des BIPM, 9. Auflage, Kap. 4 S. 30. doi:10.7795/310.20250299. Originalausgabe (französisch, englisch): doi:10.59161/AUEZ1291
  2. ↑ aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU und Art. 17 der Einheitenverordnung in der Schweiz
  3. ↑ a b c Einheitenverordnung: „Das Elektronvolt ist die Energie, die ein Elektron bei Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1 Volt im Vakuum gewinnt.“
    SI-Broschüre 9. Aufl.: „Das Elektronenvolt ist die kinetische Energie, die ein Elektron nach Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1 V im Vakuum erhält.“
  4. ↑ Resolution 1 of the 26th CGPM. On the revision of the International System of Units (SI). Bureau International des Poids et Mesures, 2018, abgerufen am 12. April 2021 (englisch). doi:10.59161/CGPM2018RES1E (engl.), doi:10.59161/CGPM2018RES1F (frz.)
  5. ↑ International Electrotechnical Commission (IEC): International Electrotechnical Vocabulary (IEV). ref. 113-03-47, electronvolt (abgerufen am 19. Februar 2022).
  6. ↑ Elektronvolt. In: Internationales elektrotechnisches Wörterbuch. (dke.de [abgerufen am 13. Januar 2025]).
  7. ↑ Richtlinie 80/181/EWG in der konsolidierten Fassung vom 27. Mai 2009, Abschnitt 3
  8. ↑ § 1 Abs. 2 der Einheitenverordnung (gültig für Deutschland)
  9. ↑ a b Anlage 1 Nr. 10 (zu § 1) der Einheitenverordnung (gültig für Deutschland)
  10. ↑ DIN 1301 Einheiten. Teil 1: Einheitennamen, Einheitenzeichen. Oktober 2010, S. 8.
  11. ↑ DIN 66030 Informationstechnik – Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat. DIN-Taschenbuch Einheiten und Begriffe für physikalische Größen, Beuth, Berlin 1990.
  12. ↑ Marco Molinaro: "What is Light?" In: University of California, Davis. 9. Januar 2006, archiviert vom Original am 29. November 2007; abgerufen am 7. Februar 2014.
  13. ↑ Elert, Glenn: Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook. hypertextbook.com, abgerufen am 30. Juli 2016.
  14. ↑ Definition of frequency bands on. Vlf.it, abgerufen am 16. Oktober 2010.
  15. ↑ KM3NeT Collaboration: A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino. In: Nature. 638. Jahrgang, Nr. 8050, 21. Mai 2014, S. 376–382, doi:10.1038/s41586-024-08543-1, PMID 39939793, PMC 11821517 (freier Volltext) – (wisc.edu).
  16. ↑ ATLAS, CMS: Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments. In: Physical Review Letters. 114. Jahrgang, Nr. 19, 26. März 2015, doi:10.1103/PhysRevLett.114.191803, PMID 26024162, arxiv:1503.07589, bibcode:2015PhRvL.114s1803A.
  17. ↑ KM3NeT: Observation of an ultra-high-energy cosmic neutrino with KM3NeT, 12. Februar 2025, abgerufen am 13. Februar 2025
  18. ↑ The Oh-My-God Particle (englisch) – fourmilab.ch, am 4. Januar 1994