Elektronenvolt

Als Einheit für die Energie

Das Elektronenvolt wird als „handliche“ Einheit der Energie in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten wie der experimentellen Kern- und Elementarteilchenphysik verwendet. Beispielsweise wird die kinetische Energie, auf die ein Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger gebracht wird, stets in Elektronenvolt angegeben. Handlich ist das deshalb, weil sich die Änderung der kinetischen Energie ${\displaystyle \Delta E_{\text{kin}}}$ jedes im elektrischen Feld beschleunigten Teilchens aus seiner Ladung ${\displaystyle Q}$ und der durchlaufenen Spannung ${\displaystyle U}$ als ${\displaystyle \Delta E_{\text{kin}}=UQ}$ berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen ist: 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 ${\displaystyle e}$ oder ein ganzzahliges Vielfaches davon. Anstatt die Elementarladung einzusetzen und die Energie in Joule anzugeben, kann man daher die aus einer elektrischen Beschleunigung resultierende Änderung der kinetischen Energie direkt in der Einheit eV angeben. Dabei gilt für einfach geladene Teilchen – wie Elektronen, Protonen und einfach geladene Ionen – die Formel ${\displaystyle \Delta E_{\text{kin}}=e\,U}$; bei ${\displaystyle Z}$-fach geladenen Teilchen gilt entsprechend ${\displaystyle \Delta E_{\text{kin}}=Ze\,U}$. So ändert sich beispielsweise die kinetische Energie eines Protons beim Durchfliegen einer Potentialdifferenz von 100 V um 100 eV, die Energie eines zweifach geladenen Heliumkerns ändert sich um 200 eV.

Die kinetische Energie eines positiv geladenen Teilchens nimmt um den genannten Betrag zu, wenn die durchlaufene Spannung so gepolt ist, dass das elektrische Potential auf dem Weg des Teilchens abnimmt (umgangssprachlich: „wenn sich das Teilchen von Plus nach Minus bewegt“); im umgekehrten Fall nimmt sie ab. Für negativ geladene Teilchen gilt dasselbe mit umgekehrten Vorzeichen (siehe z. B. Gegenfeldmethode beim Photoeffekt).

Die Verwendung der Einheit Elektronenvolt ist nicht auf Beschleunigungsarbeit an geladenen Teilchen im elektrischen Feld beschränkt. Da sie eine für die Atom- und Kernphysik günstige Größenordnung hat, wird sie häufig für ganz andere Energien im mikroskopischen Maßstab verwendet, etwa für Bindungsenergien in der Atomhülle oder im Atomkern oder für die Energie von einzelnen Photonen.

Als Einheit für die Masse in der Teilchenphysik

Das Elektronenvolt kann auch als Einheit der Masse von Teilchen verwendet werden. Die Umrechnung von Masse in Energie geschieht gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie. Diese Energie wird Ruheenergie genannt.

${\displaystyle E=mc^{2}\quad \Leftrightarrow \quad m={\dfrac {E}{c^{2}}}}$,

wobei

• ${\displaystyle E}$ für die Energie
• ${\displaystyle m}$ für die Masse und
• ${\displaystyle c}$ für die Lichtgeschwindigkeit steht.

Die entsprechende Masseneinheit ist also ${\displaystyle \mathrm {eV} /c^{2}}$. Die Umrechnung in Kilogramm lautet:

${\displaystyle 1\,\mathrm {eV} /c^{2}\approx 1{,}783\cdot 10^{-36}\,\mathrm {kg} }$.

Beispielsweise beträgt die Masse eines Elektrons 9,11 · 10⁻³¹ kg = 511 keV/c².

In der Teilchenphysik wird oft ein System „natürlicher“ Einheiten verwendet. Dabei wird ${\displaystyle c=1}$ gesetzt. Damit hat die Masse eines Teilchens die gleiche Einheit wie seine kinetische Energie. Beide werden dann üblicherweise in Elektronenvolt angegeben.