Elektronenvolt

Physikalische Einheit
Einheitenname	Elektronenvolt
Einheitenzeichen	${\displaystyle \mathrm {eV} }$
Physikalische Größe(n)	Energie
Formelzeichen	${\displaystyle E,Q,m,T}$
Dimension	${\displaystyle {\mathsf {M\;L^{2}\;T^{-2}}}}$
System	Zum Gebrauch mit dem SI zugelassen
In SI-Einheiten	${\displaystyle \mathrm {1\,eV=1{,}602\,176\,565(35)\cdot 10^{-19}\;{\frac {kg\,m^{2}}{s^{2}}}} }$
Benannt nach	Elektron, Alessandro Volta
Abgeleitet von	Volt, Elementarladung

Das Elektronenvolt, auch Elektronvolt, ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Ihr Einheitenzeichen ist eV.

Ein Elektronenvolt ist die Energiemenge, um welche die kinetische Energie eines Elektrons zunimmt, wenn es eine Beschleunigungsspannung von 1 Volt durchläuft. Sein Wert gemäß der CODATA-Empfehlung ist:[1]

${\displaystyle 1~\mathrm {eV} =1{,}602\,176\,565(35)\cdot 10^{-19}~\mathrm {J} }$

(mit einer Standardabweichung von 3,5 · 10⁻²⁷ J).

Das Elektronenvolt gehört zwar nicht zum Internationalen Einheitensystem (SI), ist aber zum Gebrauch mit ihm zugelassen[2] und eine gesetzliche Maßeinheit.[3]

Benennung

Die Einheit wird in der deutschsprachigen Fachliteratur weit überwiegend als „Elektronenvolt“ bezeichnet, also mit dem Morphem „en“ zwischen „Elektron“ und „volt“. Andererseits sieht die Ausführungsverordnung zum Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung vom 13. Dezember 1985 die Form „Elektronvolt“ vor.[4]

Die DIN-Norm 1301-1 „Einheiten – Einheitennamen, Einheitenzeichen“ vom Oktober 2010 empfiehlt die Form „Elektronvolt“.[5] In der Norm DIN 66030 „Informationstechnik - Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat“ vom Mai 2002 wird dagegen die Form „Elektronenvolt“ verwendet.[6]

Verwendung als Masseneinheit

Das Elektronenvolt wird als „handliche“ Einheit in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten wie der experimentellen Elementarteilchenphysik verwendet (siehe auch Natürliche Einheiten): sowohl die Masse von Elementarteilchen als auch die Energie, auf die sie in Teilchenbeschleunigern gebracht werden, werden in Elektronenvolt angegeben.

Die Umrechnung auf die Masse geschieht mit Hilfe der bekannten Gleichung aus der speziellen Relativitätstheorie

${\displaystyle \displaystyle E=mc^{2}~\Leftrightarrow ~\displaystyle m={\frac {E}{c^{2}}}}$ ,

wobei

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

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

Handlich deshalb, weil sich die Energie eines Teilchens, das im elektrischen Feld beschleunigt wird, mit ${\displaystyle E=U\cdot Q}$ berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen ist: die Richtung der Bewegung, die Länge des Wegs oder der genaue Verlauf der Feldstärke spielt keine Rolle.

Die Ladung vieler Teilchen entspricht einem ganzzahligen Vielfachen der Elementarladung. Anstatt die Elementarladung einzusetzen und die Energie in Joule anzugeben, kann man bei ihnen die aus einer elektrischen Beschleunigung resultierende kinetische Energie direkt in der Einheit eV angeben. Die Umrechnung von Joule in eV erfolgt gemäß

${\displaystyle 1~\mathrm {J} \approx 6{,}242\cdot 10^{18}~\mathrm {eV} }$ .

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt sind:

• meV (Millielektronenvolt). Beispiel: ein freies Teilchen hat bei Raumtemperatur eine thermische Energie von knapp 40 meV
• keV (Kiloelektronenvolt). Beispiel: ein Photon der Röntgenstrahlung hat etwa 1–250 keV
• MeV (Megaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,511 MeV
• GeV (Gigaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,94 GeV
• TeV (Teraelektronenvolt). Beispiel: Protonen im LHC haben eine maximale kinetische Energie von 4 TeV[7]

Zum Vergleich:

• ein typisches Molekül in der Atmosphäre hat eine Bewegungsenergie (thermische Energie) von etwa 0,03 eV.
• die Photonen von sichtbarem Licht (rot) haben eine Energie von etwa 2 eV.
• die Spaltprodukte einer Kernspaltung von Uran haben eine Bewegungsenergie von zusammen etwa 167 MeV.

Die kinetische Energie von schnell bewegten schwereren Atomkernen (Schwerionen) gibt man häufig pro Nukleon an. Als Einheit wird dann AGeV geschrieben, wobei A für die Massenzahl steht. Jeder Kern mit 1 AGeV besitzt die gleiche Geschwindigkeit. Analog gibt es je nach Energieskala das ATeV und das AMeV.

Im LHC am CERN ist geplant, Protonen mit einer Energie von 14 TeV und Bleikerne mit 1146 TeV miteinander kollidieren zu lassen. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ca. 2 µJ bzw. 180 µJ ist dabei immer noch sehr gering (der Nährwert einer Tafel Schokolade mit 2200 kJ entspricht dem 1,1-Billionen- bzw. 12-Milliardenfachen). Berücksichtigt man aber die große Anzahl der Teilchen (1,15 × 10¹¹ Protonen pro Puls, im Ring des LHC befinden sich bis zu 2808 Pulse[8]), so kommt ein einzelner Puls mit 258 kJ schon nahe an die Tafel Schokolade heran. Die Gesamtenergie der im Ring befindlichen Protonen übersteigt diese mit 724 MJ bei weitem.

Umrechnung in Joule pro Mol

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 ${\displaystyle N_{\mathrm {A} }}$ erhält, zum Beispiel:

${\displaystyle 1\,\mathrm {eV} \cdot N_{\mathrm {A} }=96\,485\,\mathrm {J/mol} =F\cdot 1\mathrm {V} ,}$

wobei ${\displaystyle F}$ die Faraday-Konstante ist.

Einzelnachweise

1. ↑ CODATA Recommended Values. National Institute of Standards and Technology; abgerufen am 17. Juni 2011.  Wert für ein Elektronvolt, veröffentlicht durch das amerikanische National Institute of Standards and Technology mit CODATA als Datenquelle
2. ↑ Das Internationale Einheitensystem (SI). Deutsche Übersetzung der BIPM-Broschüre „Le Système international d‘unités/The International System of Units (8e edition, 2006)“. In: PTB-Mitteilungen. Band 117, Nr. 2, 2007 (Online Version (PDF-Datei, 1,4 MB)). 
3. ↑ aufgrund der EU-Richtlinie 80/181/EWG in den Staaten der EU bzw. dem Bundesgesetz über das Messwesen in der Schweiz
4. ↑ PDF
5. ↑ DIN 1301 Einheiten. Teil 1: Einheitennamen, Einheitenzeichen. Oktober 2010, S. 8.
6. ↑ DIN 66030 Informationstechnik - Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat. Mai 2002, S. 5, Tabelle 1.
7. ↑ Werner Pluta: LHC stellt neuen Energierekord auf. Golem, 5. April 2012 (Gesamte Kollisionsenergie 8 TeV).
8. ↑ LHC Design Report