Elektronenvolt
Einheit außerhalb des SI, zum Gebrauch zugelassen · Größe: Energie
01 · Definition
Das Elektronenvolt kam in den Beschleunigerlaboren zur Welt: die Energie von Teilchen in Joule zu rechnen ist so unhandlich, wie die Entfernung zwischen Städten in Mikrometern anzugeben.
Ein Elektronenvolt ist die Energie, die ein Elektron gewinnt, wenn es eine Potentialdifferenz von einem Volt durchläuft. Die Definition wird unmittelbar zur Zahl: die Ladung des Elektrons mal Volt ergibt 1,602 176 634·10⁻¹⁹ Joule — seit 2019 ein exakter Wert, denn die Elementarladung ist durch die Definition des Ampere festgelegt. Die Einheit deckt die ganze Physik der kleinen Maßstäbe ab: die Bindungsenergie eines Moleküls beträgt einige Elektronenvolt, ein Röntgenquant einige zehn Kiloelektronenvolt, ein Proton im Großen Hadronen-Speicherring sieben Teraelektronenvolt.
Die Energie eines Photons in Elektronenvolt ist 1240 geteilt durch die Wellenlänge in Nanometern. Grünes Licht bei 550 nm sind 2,25 eV, und alles Sichtbare liegt zwischen 1,65 und 3,26 eV. Eine Zahl ersetzt das Plancksche Wirkungsquantum in der Tasche.
02 · Umrechnung
Geben Sie eine Energie ein — das Blatt rechnet um
Das Elektronenvolt ist die eine Einheit, die sich bequem in vier Skalen zugleich übersetzt: Energie, Temperatur, Wellenlänge und Masse. Physiker gebrauchen alle vier als Synonyme — «ein Übergang bei zwei Elektronenvolt» und «eine Linie bei 620 Nanometern» beschreiben dasselbe.
Über E = mc² wird das Elektronenvolt auch zum Maß der Masse. Das Elektron wiegt 511 keV/c², das Proton 938 MeV/c², das Higgs-Boson 125 GeV/c². In der Teilchenphysik lässt man die Division durch c² gewöhnlich weg.
| Einheit | Name | Wert | Wo es vorkommt |
|---|---|---|---|
| eV | Elektronenvolt | 1 | Molekülbindungen, Atomspektren |
| meV | Millielektronenvolt | 1000 | Gitterschwingungen, thermisches Rauschen |
| keV | Kiloelektronenvolt | 0,001 | Röntgen, innere Schalen |
| MeV | Megaelektronenvolt | 1·10⁻⁶ | Kernübergänge, Teilchenmassen |
| GeV | Gigaelektronenvolt | 1·10⁻⁹ | Speicherringe, die Protonenmasse |
| TeV | Teraelektronenvolt | 1·10⁻¹² | die Grenze der Beschleuniger, kosmische Strahlung |
Ein und dieselbe Zeile liest sich auf vier Arten: als Energie, als Wellenlänge eines Photons, als Temperatur kT und als Masse in eV/c². Physiker gebrauchen sie als Synonyme.
03 · Größenordnungen
vom thermischen Rauschen bis zur kosmischen Strahlungchemische Bindung und sichtbares Licht
04 · Messgeräte
Womit man Elektronenvolt misst
Zerlegt die Strahlung nach den Energien ihrer Quanten. Ein Germaniumdetektor unterscheidet Linien bis auf ein Kiloelektronenvolt genau.
Die Energie des Strahls ergibt sich aus der Gesamtspannung, die das Teilchen durchlaufen hat: daher hat die Einheit ihren Namen. Der LHC beschleunigt ein Proton auf 7 TeV.
Misst die Energie der vom Licht herausgeschlagenen Elektronen: die Differenz zwischen Quant und kinetischer Energie ergibt die Bindungsenergie im Stoff.
Verschluckt das Teilchen ganz und misst die freigesetzte Energie in Gigaelektronenvolt. So wurde das Higgs-Boson bei 125 GeV gefunden.
05 · Schreibregeln
e klein, V groß, der Vorsatz vor beiden
Das Zeichen wird zusammengeschrieben: keV, MeV, GeV — der Vorsatz steht vor der ganzen Einheit, nicht zwischen ihren Buchstaben. Ein großes E hieße Exa, ein kleines v gar nichts. Im laufenden Text ist die einheimische Schreibung des Namens erlaubt, in Formeln und Tabellen aber das lateinische Zeichen vorzuziehen.
In der Teilchenphysik gilt ein System, in dem c = 1 ist, und die Masse wird einfach in GeV geschrieben, ohne Division durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Außerhalb dieses Gebiets darf c² nicht wegfallen: eV und eV/c² sind verschiedene Größen.
06 · Benachbarte Einheiten
Das Elektronenvolt steht dort, wo drei SI-Einheiten zusammentreffen: die Ladung des Elektrons gibt den Faktor, das Volt die Definition, das Joule das Ergebnis. Über die Konstanten von Planck und Boltzmann rechnet es sich in Frequenz und Temperatur um.
gibt die Beschleunigung vor
e · V
1,602·10⁻¹⁹
Bei 300 K beträgt die thermische Energie kT 25,9 meV — dieser Wert setzt den Maßstab für thermische Vorgänge in Elektronik und Chemie.
07 · Historischer Teil
Nachbarn auf den atomaren Skalen
Die Energieeinheit des CGS-Systems. Für atomare Maßstäbe erwies sie sich als viel zu grob: das Elektronenvolt ist sechshundert Milliarden Mal kleiner als das Erg.
Die Ionisierungsenergie des Wasserstoffs: 13,6 eV. Atomspektren werden bis heute in Rydberg und reziproken Zentimetern gerechnet.
Die atomare Einheit der Energie, doppelt so groß wie das Rydberg. Molekülrechnungen werden gerade in ihr geführt — so verschwinden alle Konstanten aus den Gleichungen.
Bindungsenergie je Mol Stoff. Biochemie und organische Chemie halten daran fest, die Physik ist zum Elektronenvolt übergegangen.
Eine Einheit außerhalb des SI, die 2019 genauer wurde als das Joule
Vor der SI-Reform war das Elektronenvolt ein Näherungswert: er hing von der gemessenen Ladung des Elektrons ab und wurde mit jedem neuen Versuch nachgebessert. 2019 wurde die Elementarladung durch Definition festgelegt — genau 1,602 176 634·10⁻¹⁹ Coulomb — und der Umrechnungsfaktor von Elektronenvolt in Joule wurde eine exakte Zahl ohne Unsicherheit. Es entstand eine merkwürdige Lage: eine Einheit außerhalb des SI, die das SI bloß «zum Gebrauch zulässt», hängt nun absolut streng am Joule, während viele Größen innerhalb des Systems selbst mit endlicher Genauigkeit gemessen werden.
Katalog · Maßeinheiten
Ein Datenblatt für jede Größe
Sieben SI-Basiseinheiten, zweiundzwanzig abgeleitete mit eigenem Namen und die Nicht-SI-Einheiten, ohne die weder Technik noch Alltag auskommen. Jede ein eigenes Blatt: Definition, Umrechnung, Messgeräte, Schreibregeln. In 5 Sprachen.
Nicht-SI-Einheiten
das Blatt des Elektronenvolts öffnenSI-Basiseinheiten
in Terrakotta — jene, die hinter dem Elektronenvolt stehenAbgeleitete SI-Einheiten mit eigenem Namen
zweiundzwanzig BlätterSprache des Datenblatts
5 Sprachen. Das Zeichen eV und die Formeln werden nicht übersetzt — sie sind in allen Sprachfassungen gleich; übersetzt werden die Prosa, die Beispiele und die Schreibregeln der jeweiligen Schrift.