Elektronvolt
Eenheid buiten het SI, toegelaten tot gebruik · grootheid: energie
01 · Definitie
De elektronvolt is geboren in de laboratoria van de versnellers: de energie van deeltjes in joule tellen is even onhandig als de afstand tussen steden in micrometers opgeven.
Eén elektronvolt is de energie die een elektron wint na het doorlopen van een potentiaalverschil van één volt. De definitie wordt meteen een getal: de lading van het elektron maal de volt geeft 1,602 176 634·10⁻¹⁹ joule — sinds 2019 een exacte waarde, want de elementaire lading ligt vast in de definitie van de ampère. De eenheid dekt de hele natuurkunde van de kleine schalen: de bindingsenergie van een molecuul is enkele elektronvolt, een röntgenkwantum tientallen kilo-elektronvolt, een proton in de Grote Hadronenversneller zeven tera-elektronvolt.
De energie van een foton in elektronvolt is 1240 gedeeld door de golflengte in nanometers. Groen licht van 550 nm is 2,25 eV, en al het zichtbare past tussen 1,65 en 3,26 eV. Eén getal vervangt de constante van Planck in de zak.
02 · Omrekening
Voer een energie in — het blad rekent haar om
De elektronvolt is de enige eenheid die zich gemakkelijk in vier schalen tegelijk laat vertalen: energie, temperatuur, golflengte en massa. Natuurkundigen gebruiken alle vier als synoniemen — «een overgang bij twee elektronvolt» en «een lijn bij 620 nanometer» beschrijven hetzelfde.
Via E = mc² wordt de elektronvolt ook een maat voor massa. Het elektron weegt 511 keV/c², het proton 938 MeV/c², het higgsdeeltje 125 GeV/c². In de deeltjesfysica laat men de deling door c² gewoonlijk weg.
| Eenheid | Naam | Waarde | Waar het voorkomt |
|---|---|---|---|
| eV | elektronvolt | 1 | molecuulbindingen, atoomspectra |
| meV | milli-elektronvolt | 1000 | roostertrillingen, thermische ruis |
| keV | kilo-elektronvolt | 0,001 | röntgen, binnenste schillen |
| MeV | mega-elektronvolt | 1·10⁻⁶ | kernovergangen, deeltjesmassa’s |
| GeV | giga-elektronvolt | 1·10⁻⁹ | versnellers, de massa van het proton |
| TeV | tera-elektronvolt | 1·10⁻¹² | de grens van de versnellers, kosmische straling |
Eén en dezelfde regel laat zich op vier manieren lezen: als energie, als golflengte van een foton, als temperatuur kT en als massa in eV/c². Natuurkundigen gebruiken ze als synoniemen.
03 · Ordes van grootte
van thermische ruis tot kosmische stralingchemische binding en zichtbaar licht
04 · Meetinstrumenten
Waarmee men elektronvolt meet
Ontleedt de straling naar de energie van haar kwanta. Een germaniumdetector onderscheidt lijnen tot op een kilo-elektronvolt.
De energie van de bundel wordt bepaald door de totale spanning die het deeltje heeft doorlopen: daaraan dankt de eenheid haar naam. De LHC versnelt een proton tot 7 TeV.
Meet de energie van de door licht uitgeslagen elektronen: het verschil tussen het kwantum en de kinetische energie geeft de bindingsenergie in de stof.
Slokt het deeltje in zijn geheel op en meet de vrijgekomen energie in giga-elektronvolt. Zo werd het higgsdeeltje bij 125 GeV gevonden.
05 · Schrijfregels
e klein, V groot, het voorvoegsel voor beide
Het teken wordt aaneen geschreven: keV, MeV, GeV — het voorvoegsel staat voor de hele eenheid, niet tussen haar letters. Een hoofdletter E zou exa betekenen, een kleine v niets. In lopende tekst is de eigen schrijfwijze van de naam toegestaan, maar in formules en tabellen verdient het Latijnse teken de voorkeur.
In de deeltjesfysica geldt een stelsel waarin c = 1, en de massa wordt eenvoudig in GeV geschreven, zonder deling door het kwadraat van de lichtsnelheid. Buiten dat gebied mag c² niet wegvallen: eV en eV/c² zijn verschillende grootheden.
06 · Naburige eenheden
De elektronvolt staat waar drie SI-eenheden samenkomen: de lading van het elektron geeft de factor, de volt de definitie, de joule het resultaat. Via de constanten van Planck en Boltzmann rekent zij zich om in frequentie en temperatuur.
Bij 300 K bedraagt de thermische energie kT 25,9 meV — die waarde bepaalt de schaal van thermische processen in elektronica en scheikunde.
07 · Historisch deel
Buren op de atomaire schalen
De energie-eenheid van het CGS-stelsel. Voor atomaire schalen bleek zij veel te grof: de elektronvolt is zeshonderd miljard maal kleiner dan de erg.
De ionisatie-energie van waterstof: 13,6 eV. Atoomspectra worden tot op vandaag in rydberg en omgekeerde centimeters geteld.
De atomaire eenheid van energie, tweemaal de rydberg. Berekeningen aan moleculen worden juist daarin gedaan — zo verdwijnen alle constanten uit de vergelijkingen.
Bindingsenergie per mol stof. De biochemie en de organische scheikunde houden eraan vast; de natuurkunde is op elektronvolt overgegaan.
Een eenheid buiten het SI die in 2019 nauwkeuriger werd dan de joule
Vóór de hervorming van het SI was de elektronvolt bij benadering bekend: haar waarde hing af van de gemeten lading van het elektron en werd bij elk nieuw experiment bijgesteld. In 2019 werd de elementaire lading bij definitie vastgelegd — precies 1,602 176 634·10⁻¹⁹ coulomb — en de omrekenfactor van elektronvolt naar joule werd een exact getal zonder onzekerheid. Er ontstond een merkwaardige toestand: een eenheid buiten het SI, die het SI slechts «tot gebruik toelaat», hangt nu volstrekt streng aan de joule, terwijl veel grootheden binnen het stelsel zelf met eindige nauwkeurigheid worden gemeten.
Catalogus · meeteenheden
Een fiche voor elke grootheid
Zeven SI-basiseenheden, tweeëntwintig afgeleide met een eigen naam en de eenheden buiten het stelsel waar techniek noch dagelijks leven het zonder stelt. Elk heeft haar eigen blad: definitie, omrekening, instrumenten, schrijfregels. In 36 talen.
Niet-SI-eenheden
het blad van de elektronvolt openenSI-basiseenheden
in terracotta — die achter de elektronvolt staanAfgeleide SI-eenheden met een eigen naam
tweeëntwintig bladenTaal van de fiche
36 talen. Het teken eV en de formules worden niet vertaald — ze zijn in alle talen gelijk; vertaald worden het proza, de voorbeelden en de schrijfregels van het betreffende schrift.