01 · 定義
電子伏生在加速器的實驗室裡:用焦耳數粒子的能量,就像用微米量城與城之間的距離一樣彆扭。
一電子伏,就是電子走過一伏特電位差所得的能量。定義徑直化作數字:電子的電荷乘以伏特,得 1.602 176 634·10⁻¹⁹ 焦耳——自 2019 年起這是精確值,因為元電荷已由安培的定義鎖定。這個單位覆蓋了小尺度的全部物理:一個分子的鍵能是幾電子伏,一個 X 射線量子是幾十千電子伏,大型強子對撞機裡的質子是七太電子伏。
光子的能量以電子伏計,就是 1240 除以以納米計的波長。550 納米的綠光是 2.25 eV,可見光全都落在 1.65 與 3.26 eV 之間。一個數便頂替了口袋裡的普朗克常數。
02 · 換算
輸入能量——名片替您換算
唯有電子伏能一次便當地折成四把尺子:能量、溫度、波長和質量。物理學家把這四者當作同義詞——「兩電子伏處的躍遷」與「620 納米處的譜線」說的是同一件事。
經由 E = mc²,電子伏也成了質量的尺度。電子重 511 keV/c²,質子 938 MeV/c²,希格斯玻色子 125 GeV/c²。粒子物理裡通常把除以 c² 省去。
| 單位 | 名稱 | 數值 | 常見於何處 |
|---|---|---|---|
| eV | 電子伏特 | 1 | 分子的鍵、原子的光譜 |
| meV | 毫電子伏 | 1000 | 晶格振動、熱噪聲 |
| keV | 千電子伏 | 0.001 | X 射線、內層電子殼 |
| MeV | 兆電子伏 | 1·10⁻⁶ | 核躍遷、粒子質量 |
| GeV | 吉電子伏 | 1·10⁻⁹ | 對撞機、質子質量 |
| TeV | 太電子伏 | 1·10⁻¹² | 加速器的極限、宇宙線 |
同一行有四種讀法:讀作能量,讀作光子的波長,讀作溫度 kT,讀作以 eV/c² 計的質量。物理學家把它們當同義詞用。
03 · 數量級
從熱噪聲到宇宙線化學鍵與可見光
04 · 測量儀器
用什麼測電子伏
按量子的能量把輻射攤開。鍺探測器分辨譜線可精到千電子伏。
束流的能量由粒子走過的總電壓定下:單位的名字正由此得來。LHC 把質子加速到 7 TeV。
量度被光打出的電子的能量:量子與動能之差,便是物質中的束縛能。
把粒子整個吞下,以吉電子伏量出放出的能量。希格斯玻色子正是這樣在 125 GeV 處被找到的。
05 · 書寫規則
e 小寫,V 大寫,詞頭置於二者之前
符號連寫:keV、MeV、GeV——詞頭置於整個單位之前,不落在兩個字母之間。大寫 E 會是艾,小寫 v 什麼也不是。行文中可用本地寫法稱呼單位,公式與表格裡則以拉丁符號為宜。
粒子物理採用 c = 1 的一套體系,質量便徑直寫成 GeV,不再除以光速的平方。出了這個領域,c² 不可省去:eV 與 eV/c² 是不同的量。
06 · 相鄰單位
電子伏站在三個 SI 單位的交界處:電子的電荷給出因子,伏特給出定義,焦耳給出結果。經普朗克常數與玻爾茲曼常數,它可換成頻率與溫度。
在 300 K,熱能 kT 為 25.9 meV——這個數值定下了電子學與化學中熱過程的尺度。
07 · 歷史部分
原子尺度上的鄰居
CGS 制的能量單位。對原子尺度而言顯得太粗:電子伏比爾格小六千億倍。
氫的電離能:13.6 eV。原子光譜至今仍以裡德伯和倒釐米來計。
能量的原子單位,是裡德伯的兩倍。分子的計算正用它來做——如此方程裡的常數便都消失了。
按每摩爾物質計的束縛能。生物化學與有機化學抱住它不放,物理學則轉投了電子伏。
一個非 SI 單位,2019 年起比焦耳還精確
SI 改制之前,電子伏是近似的:它的值取決於測得的電子電荷,每有新實驗便要修正一次。2019 年,元電荷由定義鎖定——正好 1.602 176 634·10⁻¹⁹ 庫侖——從電子伏到焦耳的換算係數於是成了沒有不確定度的精確數。由此出現了有趣的局面:一個 SI 只肯「允許使用」的非 SI 單位,如今與焦耳絕對嚴格地相連;而體系之內的許多量,反倒只能以有限的精度測得。
目錄 · 計量單位
每個量都有一份檔案
七個國際單位制基本單位、二十二個有專名的導出單位,以及工程和日常都離不開的非國際制單位。每個單位一頁:定義、換算、儀器、書寫規則。共 36 種語言。
非國際制單位
打開電子伏的名片SI 基本單位
赭色的是站在電子伏背後的那些有專名的 SI 導出單位
二十二頁檔案語言
36 種語言。符號 eV 與公式不譯——各語言裡都一樣;所譯的是行文、例子,以及各種文字自己的書寫規則。