Elektronvolt (značka eV) je jednotka práce a energie mimo soustavu SI. Odpovídá kinetické energii, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu.^[1] Používá se běžně k měření malých množství energie zejména v částicové fyzice, fyzikální chemii apod., protože obvyklá energie jedné částice je v joulech velmi malé číslo. Zároveň je to jednotka technicky výhodná vzhledem k běžným metodám měření energie částic.

Elektronvolt lze převést na odvozenou jednotku energie soustavy SI joule podle vztahu:

${\displaystyle 1\,\mathrm {eV} =1{,}602\,176\,634\times 10^{-19}\,\mathrm {J} \,}$ (přesně).^{[2][pozn 2]}

Hodnota číselně odpovídá náboji elektronu v coulombech, protože práce vykonaná na náboji elektrickou silou se počítá jako součin náboje (1 e) a napětí (1 V). Stejnou energii získá při pohybu v elektrostatickém poli i jiná částice se stejně velkým nábojem, například proton, pozitron či mion.

Elektronvolt není mezi standardními jednotkami soustavy SI. Jeho hodnota je určována experimentálně a postupně se upřesňuje.^[3] Přesto Mezinárodní výbor pro míry a váhy povoluje elektronvolt k užívání společně s ostatními jednotkami SI,^[4] jakož i další dvě experimentálně stanovené jednotky: atomovou hmotnostní konstantu a astronomickou jednotku.

Elektronvolt se běžně využívá pro vyjádření mnoha dalších veličin, například hmotnosti, teploty nebo dokonce času.

Velikost jednotky

Elektronvolt je v běžných měřítkách extrémně malé množství energie. Energie pohybu letícího komára je přibližně bilion elektronvoltů.^[5] Jednotka je proto užitečná tam, kde jsou typické energie velmi malé, to znamená ve světě částic. Také zde je 1 eV často poměrně malá energie, takže se používají větší násobky a předpony: 1 keV je tisíc eV, 1 MeV je milion eV, 1 GeV je miliarda eV, 1 TeV je bilion eV. Někdy se zkratka používá jako akronym, lze se tedy setkat i s jejím skloňováním.^[6]

Největší urychlovač částic (LHC) dodá každému protonu energii 7 TeV.^[7] Rozbitím jediného jádra uranu ²³⁵U se uvolní přibližně 215 MeV.^[8] Sloučením jednoho jádra atomu deuteria s jádrem tritia se uvolní 17,6 MeV.^[8] V obrazovkách barevných televizorů jsou elektrony urychlovány vysokým napětím kolem 32 tisíc voltů, takže elektrony získávají kinetickou energii 32 keV. Dobře se elektronvolt hodí k měření energie chemických vazeb, jsou to řádově jednotky či desítky eV na jednu molekulu.^[8] K vytržení elektronu z atomu vodíku (ionizaci) je potřeba 13,6 eV.^[8] Řádově jednotky eV má také energie fotonů viditelného světla.^[8] Energie menší než elektronvolt se vyskytují v termodynamice, například střední kinetická energie částic vzduchu při pokojové teplotě je 38 meV (milielektronvolt).^[8]

Rychlost elektronu s kinetickou energií 1 eV je přibližně 593 km/s. Rychlost protonu se stejnou kinetickou energií je pak jen 13,8 km/s.

Velikost elektronvoltu v jednotkách SI se určuje měřením náboje elektronu. Nejpřesnější ze známých metod je měření Josephsonova jevu, kterým se určí hodnota Josephsonovy konstanty ${\displaystyle K_{\mathrm {J} }}$. Velikost elementárního náboje se pak stanoví ze vztahu ${\displaystyle e={\frac {2}{\left(R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }\right)}}}$. Zde ${\displaystyle R_{\mathrm {K} }}$ je von Klitzingova konstanta, která je změřena řádově přesněji než ${\displaystyle K_{\mathrm {J} }}$. Relativní směrodatná odchylka měření Josephsonovy konstanty je 2,5×10⁻⁸ (2,5 miliontiny procenta) a právě takovou přesnost má i převod elektronvoltu na jouly.^[2]

Užití při měření

V technické praxi je výhodné, že pro částice s elementárním nábojem odpovídá změna energie v elektronvoltech přímo elektrickému napětí ve voltech, kterým je částice urychlena (či zbrzděna). Příkladem může být aparatura k pozorování vnějšího fotoelektrického jevu, kde se užívá brzdné elektrické pole ke zjištění energie elektronů.

Světlo (či jiné záření) prochází okénkem do evakuované baňky a dopadá na katodu, aby z jejího povrchu vytrhlo elektrony. Ty prolétají skrze mřížku, dopadají na anodu a vytvářejí tak v obvodu elektrický proud, který měříme mikroampérmetrem. Abychom stanovili energii vyletujících elektronů, nastavíme pomocí potenciometru brzdné napětí mezi katodu a mřížku. Málo energetické elektrony jsou tímto elektrickým polem vráceny zpět na katodu a neúčastní se vedení proudu. Pokud má ale elektron dostatečnou kinetickou energii, brzdné pole překoná a pokračuje k anodě. Potřebná kinetická energie v elektronvoltech přímo odpovídá brzdnému napětí ve voltech. Můžeme tedy experimentálně zjistit krajní hodnotu napětí mezi katodou a mřížkou, při němž obvodem ještě prochází proud, například 1,2 voltu. Znamená to, že světlo dodává elektronům kinetickou energii 1,2 elektronvoltu.

V praxi tedy často porovnáváme neznámou hodnotu energie částice přímo s elektronvoltem a nikoli s jednotkami soustavy SI. Je to jeden z hlavních důvodů k zavedení této jednotky. Nepřesnost převodního koeficientu mezi eV a J je obvykle zcela zanedbatelná vzhledem k chybám měření v běžných laboratorních podmínkách. Navíc elektronvolt lze podle jeho definice realizovat výrazně přesněji než joule podle definice SI.

Konstanty

Některé fyzikální konstanty mají rozměr energie, případně v kombinaci s dalšími veličinami. K jejich vyjádření lze místo joulů používat elektronvolty. Skupina CODATA uvádí v doporučení z roku 2010 tyto hodnoty konstant a směrodatných odchylek.^{[2][pozn 2]}

Veličina	Hodnota	Význam
Planckova konstanta	${\displaystyle h=4{,}135\,667\,696\ldots \times 10^{-15}\,\mathrm {eV\cdot s} }$ (přesně)	Elementární kvantum akce
redukovaná Planckova konstanta	${\displaystyle \hbar =6{,}582\,119\,569\ldots \times 10^{-16}\,\mathrm {eV\cdot s} }$ (přesně)	${\displaystyle \hbar =h/2\pi \,,}$ elementární kvantum momentu hybnosti
Boltzmannova konstanta	${\displaystyle k=8{,}617\,333\,262\ldots \times 10^{-5}\,\mathrm {eV/K} }$ (přesně)	Vztah mezi energií částic a teplotou termodynamického systému
Rydbergova konstanta	${\displaystyle R_{\infty }hc=13{,}605\,693\,122\,994(26)\,\mathrm {eV} }$	Ionizační energie vodíku
Atomová hmotnostní konstanta	${\displaystyle m_{\mathrm {u} }c^{2}=931{,}494\,102\,42(28)\,\mathrm {MeV} }$	Dvanáctina klidové energie atomu uhlíku ${\displaystyle {}_{6}^{12}{\mbox{C}}}$
Planckova energie	${\displaystyle E_{\mathrm {P} }=1{,}220\,890(13)\times 10^{19}\,\mathrm {GeV} }$	Přirozená jednotka energie
Bohrův magneton	${\displaystyle \mu _{\mathrm {B} }=5{,}788\,381\,8060(17)\times 10^{-5}\,\mathrm {eV/T} }$	Jednotka pro magnetický moment elektronu
Jaderný magneton	${\displaystyle \mu _{\mathrm {N} }=3{,}152\,451\,258\,44(96)\times 10^{-8}\,\mathrm {eV/T} }$	Jednotka pro magnetický moment atomových jader

Energie fotonů

Podle kvantové teorie se světlo a veškeré jiné elektromagnetické záření skládá z částic – fotonů, jejichž energie je přímo úměrná frekvenci světla.

${\displaystyle E=hf={hc \over \lambda }}$

Zde ${\displaystyle h}$ je Planckova konstanta, ${\displaystyle c}$ je rychlost světla ve vakuu, ${\displaystyle f}$ je frekvence a ${\displaystyle \lambda }$ je vlnová délka. Vyjádříme-li součin ${\displaystyle hc}$ v jednotkách eV · nm, dostaneme užitečné vyjádření energie fotonu v elektronvoltech.

${\displaystyle E={1239{,}841\,929(27)\,\mathrm {eV\cdot nm} \over \lambda }\;{\dot {=}}\;{1240\,\mathrm {nm} \over \lambda }\,\mathrm {eV} }$^{[pozn 3]}

Viditelné světlo i okolní infračervené a ultrafialové záření je tedy tvořeno fotony s energií řádově v jednotkách elektronvoltů.

Další veličiny udávané v elektronvoltech

V částicové fyzice se elektronvolty, jejich násobky a mocniny běžně užívají i k vyjádření hodnot jiných veličin než energie. Tato konvence je postavena na faktu, že veličiny k sobě pojí základní fyzikální vztah, který má tvar přímé úměrnosti. Je-li energie ${\displaystyle E}$ v nějakém kontextu úměrná veličině ${\displaystyle A}$, zapisujeme to jako rovnici

${\displaystyle E=fA\,,}$

kde ${\displaystyle f}$ je konstanta úměrnosti. Obvykle je ${\displaystyle f}$ některá ze základních fyzikálních konstant, nejčastěji rychlost světla ve vakuu ${\displaystyle c}$, redukovaná Planckova konstanta ${\displaystyle \hbar }$, Boltzmannova konstanta ${\displaystyle k}$, gravitační konstanta ${\displaystyle G}$Zdroj:https://cs.wikipedia.org?pojem=Elektronvolt
Text je dostupný za podmienok Creative Commons Attribution/Share-Alike License 3.0 Unported; prípadne za ďalších podmienok. Podrobnejšie informácie nájdete na stránke Podmienky použitia.