¿Por qué los físicos de partículas usan todas las unidades en términos de eV?

Un eV, un electrón-voltio, es la energía que adquiere un electrón cuando se acelera a través de un potencial eléctrico de 1 voltio. Es igual a 1.602 * 10 ^ -19 Julios, siendo un Julio la unidad SI estándar para energía (1 Julio = 1 kilogramo * metro ^ 2 / segundo ^ 2). Se usa porque es una medida conveniente de energía a esta escala, mucho más conveniente que expresar todo en julios, como probablemente pueda ver.

En una nota al margen, para ser específicos, son los físicos atómicos, moleculares y ópticos y los físicos de la materia condensada quienes usan eV. Los físicos nucleares y de partículas estudian fenómenos en la escala de millones o miles de millones de electronvoltios, por lo que es más probable que usen MeV (= 10 ^ 6 eV) y GeV (= 10 ^ 9 eV).

Un eV, o electrón-voltio, es la energía que un electrón, o cualquier otra cosa con una unidad de carga elemental, gana al pasar por una diferencia de potencial de un voltio. Como una carga elemental es 1.60 x 10-19 C y un voltio es un julio / C, un voltio electrónico es 1.60 x 10 ^ -19 julios. Considere 1.00 eV versus 1.60 x 10 ^ -19 J.

Uno de estos es más fácil de escribir, pero en estos días con aceleradores que dan energías de partículas cargadas en el rango de TeV nos estamos acercando a las energías de partículas de un solo julio. De hecho, ha habido mediciones indirectas de las energías de los rayos cósmicos individuales de más de un julio. Eso realmente no hace que sea mucho más fácil trabajar en julios porque la notación eV solo va KeV, MeV, GeV, TeV y así sucesivamente.

Una mejor razón para usar el eV que la simplicidad de la notación es que hay una simplicidad natural capturada al trabajar con cargas elementales y diferencias potenciales (medidas en voltios). Las transiciones de electrones en las reacciones químicas son típicamente del orden de voltios o decenas de voltios, y para una reacción dada, el número de voltios es siempre el mismo. Tales reacciones involucran uno a unos pocos electrones por unidad de reacción. ¿Por qué no utilizar unidades de energía con cargas electrónicas o elementales y voltios?

En los aceleradores de partículas, las partículas individuales, como los electrones y los protones, chocan con otras partículas. Estas partículas reciben energía en muchos pasos individuales en regiones con diferencias de potencial definidas. Es como si hubiera una gran colección de baterías que producen un voltaje increíble. Por supuesto, el resultado final no se pudo producir usando baterías, pero se puede visualizar de esta manera.

Todo esto hace que sea más fácil trabajar con eV en campos que van desde la química hasta la física nuclear y la física de partículas de una manera consistente que no requiere una forma diferente de pensar en la energía.

Porque mover electrones (y protones, y otras partículas cargadas) a través de voltajes es cómo funciona un acelerador de partículas.

El acelerador de partículas más básico es un generador Van de Graaff.

Atrezzo: Van de Graaff

Acelera electrones creando un voltaje muy alto en el espacio entre dos conductores. Es trivial calcular la energía de cada electrón a partir del voltaje, y hace que los electronvoltios sean una unidad muy natural para trabajarlo.

Los aceleradores modernos son más comunes, pero con los electronvoltios establecidos como la unidad común, es fácil continuar usándolo. La conversión a otras unidades cuando se requiere es trivial. Y le da al campo una buena uniformidad para acordar un conjunto estándar de unidades.

Porque son vagos e inteligentes. Es complicado lidiar con 10 ^ (- 16) factores que aparecen en todas partes. MeV o GeV vienen en buenos números que van desde un solo dígito hasta cientos y nos dan una buena comparación entre escalas. Protón: alrededor de 1GeV, electrón- 0.5MeV (en comparación con Me = 9.1 x 10 ^ (- 31) kg y Mp = 1.6 x 10 (-27) kg)

Además, siempre aparecen factores de la velocidad de la luz c y la constante de Planck. ¡Digamos que ambas constantes son iguales a 1! En la expresión final, las dimensiones no coincidirán e incluiremos los factores requeridos de c y h 🙂 inteligente y vago

Como ya explicaron otros, eV (y sus múltiplos) es una unidad natural de energía, especialmente en física de partículas. En consecuencia, una unidad de impulso es GeV / c, lo que simplifica la vida al suponer un sistema de unidades en el que c = 1. Por estas razones, las distribuciones de energía de partículas o momento se presentan siempre en estas unidades como en el ejemplo a continuación. Además, incluso la temperatura media se expresa en MeV por conveniencia utilizando la relación E = 3/2 kT de iones pesados ​​de Boltzmann y plasma de quark-gluón. De esta manera, se evitan las operaciones con los valores de trillones de Kelvins en lugar de dar simplemente T = 150–160 MeV.