Elettronvolt
Unità fuori dal SI ammessa all’uso · grandezza: energia
01 · Definizione
L’elettronvolt è nato nei laboratori degli acceleratori: contare in joule l’energia delle particelle è scomodo quanto misurare in micron la distanza fra due città.
Un elettronvolt è l’energia che un elettrone acquista percorrendo una differenza di potenziale di un volt. La definizione si traduce subito in numero: la carica dell’elettrone per il volt dà 1,602 176 634·10⁻¹⁹ joule — valore esatto dal 2019, perché la carica elementare è fissata dalla definizione dell’ampere. L’unità copre tutta la fisica delle piccole scale: l’energia di legame di una molecola è di pochi elettronvolt, un quanto di raggi X è di decine di chiloelettronvolt, un protone del Grande collisore di adroni è di sette teraelettronvolt.
L’energia di un fotone in elettronvolt è 1240 diviso la lunghezza d’onda in nanometri. La luce verde a 550 nm fa 2,25 eV, e tutto il visibile sta fra 1,65 e 3,26 eV. Un solo numero sostituisce la costante di Planck in tasca.
02 · Conversione
Inserite un’energia: la scheda la converte
L’elettronvolt è l’unica unità che si traduce comodamente in quattro scale insieme: energia, temperatura, lunghezza d’onda e massa. I fisici usano tutte e quattro come sinonimi: «una transizione a due elettronvolt» e «una riga a 620 nanometri» descrivono la stessa cosa.
Per E = mc² l’elettronvolt diventa anche misura di massa. L’elettrone pesa 511 keV/c², il protone 938 MeV/c², il bosone di Higgs 125 GeV/c². Nella fisica delle particelle la divisione per c² si omette di solito.
| Unità | Nome | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|---|
| eV | elettronvolt | 1 | legami molecolari, spettri atomici |
| meV | millielettronvolt | 1000 | vibrazioni del reticolo, rumore termico |
| keV | chiloelettronvolt | 0,001 | raggi X, gusci interni |
| MeV | megaelettronvolt | 1·10⁻⁶ | transizioni nucleari, masse delle particelle |
| GeV | gigaelettronvolt | 1·10⁻⁹ | collisori, la massa del protone |
| TeV | teraelettronvolt | 1·10⁻¹² | il limite degli acceleratori, raggi cosmici |
Una stessa riga si legge in quattro modi: come energia, come lunghezza d’onda di un fotone, come temperatura kT e come massa in eV/c². I fisici le usano come sinonimi.
03 · Ordini di grandezza
dal rumore termico ai raggi cosmicilegame chimico e luce visibile
04 · Strumenti di misura
Con che cosa si misurano gli elettronvolt
Scompone la radiazione secondo l’energia dei suoi quanti. Un rivelatore al germanio distingue le righe fino al chiloelettronvolt.
L’energia del fascio è data dalla tensione complessiva che la particella ha percorso: di qui l’unità ha preso il nome. L’LHC accelera un protone fino a 7 TeV.
Misura l’energia degli elettroni strappati dalla luce: la differenza fra il quanto e l’energia cinetica dà l’energia di legame nella sostanza.
Assorbe la particella per intero e misura l’energia liberata in gigaelettronvolt. Così è stato trovato il bosone di Higgs a 125 GeV.
05 · Regole di scrittura
e minuscola, V maiuscola, il prefisso davanti a entrambe
Il simbolo si scrive tutto attaccato: keV, MeV, GeV — il prefisso va davanti all’unità intera, non fra le sue lettere. Una E maiuscola vorrebbe dire exa, una v minuscola niente. Nel testo corrente si ammette la grafia locale del nome, ma nelle formule e nelle tabelle è preferibile il simbolo latino.
Nella fisica delle particelle vale un sistema in cui c = 1, e la massa si scrive semplicemente in GeV senza dividere per il quadrato della velocità della luce. Fuori da quel campo il c² non si può omettere: eV ed eV/c² sono grandezze diverse.
06 · Unità vicine
L’elettronvolt sta al punto d’incontro di tre unità del SI: la carica dell’elettrone dà il fattore, il volt la definizione, il joule il risultato. Per le costanti di Planck e di Boltzmann si converte in frequenza e in temperatura.
A 300 K l’energia termica kT vale 25,9 meV: questo valore fissa la scala dei processi termici nell’elettronica e nella chimica.
07 · Sezione storica
Vicine sulle scale atomiche
L’unità di energia del sistema CGS. Per le scale atomiche si è rivelata troppo grande: l’elettronvolt è seicento miliardi di volte più piccolo dell’erg.
L’energia di ionizzazione dell’idrogeno: 13,6 eV. Gli spettri atomici si contano tuttora in rydberg e in centimetri inversi.
L’unità atomica di energia, il doppio del rydberg. I calcoli sulle molecole si fanno proprio in essa: così spariscono tutte le costanti dalle equazioni.
Energia di legame riferita alla mole di sostanza. La biochimica e la chimica organica vi si tengono stretta; la fisica è passata agli elettronvolt.
Un’unità fuori dal SI che nel 2019 è diventata più esatta del joule
Prima della riforma del SI l’elettronvolt era approssimato: il suo valore dipendeva dalla carica misurata dell’elettrone e si precisava a ogni nuovo esperimento. Nel 2019 la carica elementare è stata fissata per definizione — esattamente 1,602 176 634·10⁻¹⁹ coulomb — e il fattore di conversione da elettronvolt a joule è diventato un numero esatto, senza incertezza. Ne è nata una situazione curiosa: un’unità fuori dal SI, che il SI si limita ad «ammettere all’uso», è ora legata al joule in modo assolutamente rigoroso, mentre molte grandezze dentro il sistema stesso si misurano con esattezza finita.
Catalogo · unità di misura
Una scheda per ogni grandezza
Sette unità di base del SI, ventidue derivate con nome proprio e le unità fuori sistema senza le quali non se la cavano né la tecnica né la vita di ogni giorno. Ognuna ha il suo foglio: definizione, conversione, strumenti, regole di scrittura. In 36 lingue.
Unità fuori SI
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36 lingue. Il simbolo eV e le formule non si traducono: sono uguali in tutte le lingue; si traducono la prosa, gli esempi e le regole di scrittura proprie di ciascuna scrittura.