Electronvoltio

Por equivalencia masa-energía, el electronvoltio corresponde a una unidad de masa. Es común en física de partículas, donde las unidades de masa y energía a menudo se intercambian, expresar la masa en unidades de eV/c², donde c es la velocidad de la luz en el vacío (de E = mc²). Es común expresar informalmente la masa en términos de eV como unidad de masa, utilizando efectivamente un sistema de unidades naturales con c fijado en 1.[7] El kilogramo equivalente de 1eV/c2 es:

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

Por ejemplo, un electrón y un positrón, cada uno con una masa de 0.511 MeV/c², pueden aniquilarse para producir 1,022 MeV de energía. Un protón tiene una masa de 0,938 GeV/c². En general, las masas de todos los hadroness son del orden de 1 GeV/c², lo que hace del GeV/c² una unidad de masa conveniente para la física de partículas:[8]

• 1 GeV/c² = 1.78266192×10⁻²⁷ kg.

La constante de masa atómica (m_u), una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12, se aproxima a la masa de un protón. Para convertir a electronvoltio masa-equivalente, utilice la fórmula:

• m_u = 1 Da = 931.4941 MeV/c² = 0.9314941 GeV/c².

En determinados campos, tal como la física del plasma, es conveniente utilizar el electronvoltio para expresar temperaturas. El electronvoltio es dividido por la constante de Boltzmann para convertir a la escala Kelvin:

${\displaystyle {1eV \over k_{\text{B}}}={1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}{\text{ J}} \over 1.380\ 649\times 10^{-23}{\text{ J/K}}}=11\ 604.518\ 12{\text{ K}}.}$

Donde k_B es la constante de Boltzmann, K es Kelvin, J es Joules, eV es electronvoltios.

Por ejemplo, un plasma típico de confinamiento magnético de fusión es 15 keV (kilo-electronvoltios), lo que es igual a 174 MK (millones de Kelvin).

En forma aproximada: k_BT es 0.025 eV (≈ 290 K/11604 K/eV) a una temperatura de 20 °C.

En la física de altas energías, a menudo se utiliza el electronvoltio como unidad de momento (cantidad de movimiento). Una diferencia de potencial de 1 voltio causa que un electrón gane una cantidad de energía (o sea 1 eV). Ello da lugar al uso de eV (y keV, MeV, GeV o TeV) como unidaes de momento, porque la energía provista resulta en la aceleración de la partícula.

Las dimensiones de las unidades de momento son L¹ M¹ T ^-1. Las dimensiones de unidades de energía son L² M¹ T ^-2. Por lo tanto, dividiendo las unidades de energía (tales como eV) por una constante fundamental que tiene unidades de velocidad L¹ T ^-1, facilita la conversión requerida de utilizar unidades de energía para describir momento. En el campo de la física de partículas de alta energía, la unidad de velocidad fundamental es la velocidad de la luz en el vacío c.

Si se divide la energía en eV por la velocidad de la luz, se puede describir el momento de un electrón en unidades de eV/c.[9] [10]

La constante fundamental de velocidad c a menudo es dejada de lado de las unidades de momento mediante definir unidades de longitud tal como el valor de c es unitario. Por ejemplo, si el momento p de un electrón se dice que es de 1 GeV, por lo que la conversión a MKS se realiza como:

$${\displaystyle p=1\;{\text{GeV}}/c={\frac {(1\times 10^{9})\cdot (1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{C}})\cdot (1\;{\text{V}})}{2.99\ 792\ 458\times 10^{8}\;{\text{m}}/{\text{s}}}}=5.344\ 286\times 10^{-19}\;{\text{kg}}\cdot {\text{m}}/{\text{s}}.}$$

En física de partículas, un sistema de "unidades naturales" en el cual la velocidad de la luz en el vacío c y la constante de Planck reducida ħ son adimensionales e iguales a la unidad es ampliamente utilizado: c = ħ = 1. En estas unidades, tanto distancias como tiempos son expresados en unidades de energía inversas (mientras que energía y masa son expresados en las mismas unidades, véase equivalencia masa energía). En particular, las longitudes de dispersión de partículas a menudo son presentadas en unidades de la inversa de las masas de partículas.

Fuera de este sistema de unidades, los factores de conversión entre electronvoltio, segundo y nanómetro son las siguientes:

${\displaystyle \hbar ={\frac {h}{2\pi }}=1.054\ 571\ 817\ 646\times 10^{-34}\ {\mbox{J s}}=6.582\ 119\ 569\ 509\times 10^{-16}\ {\mbox{eV s}}.}$

Estas relaciones también permiten expresar la vida media τ de una partícula inestable (en segundos) en función de su ancho de la resonancia Γ (en eV) mediante Γ = ħ/τ. Por ejemplo, el mesón B⁰ posee una vida media of 1.530(9) picosegundos, ancho medio de resonancia es cτ = 459.7 μm, o un ancho de resonancia de 4.302 10^-4 eV.

En cambio, las minúsculas diferencias de masas de los mesones responsables de las oscilaciones de los mesones a menudo son expresadas en picosegundos inversos unidad que resulta más conveniente.

La energía expresada en electronvoltios a veces es expresada mediante la longitud de onda de la luz con fotones de la misma energía:

${\displaystyle {\frac {1\;{\text{eV}}}{hc}}={\frac {1.602\ 176\ 634\times 10^{-19}\;{\text{J}}}{(2.99\ 792\ 458\times 10^{10}\;{\text{cm}}/{\text{s}})\cdot (6.62\ 607\ 015\times 10^{-34}\;{\text{J}}\cdot {\text{s}})}}\thickapprox 8065.5439\;{\text{cm}}^{-1}.}$ a menudo son presentadas en unidades de la inversa de la masa de la partícula.