01 · 定义
电子伏生在加速器的实验室里:用焦耳数粒子的能量,就像用微米量城与城之间的距离一样别扭。
一电子伏,就是电子走过一伏特电位差所得的能量。定义径直化作数字:电子的电荷乘以伏特,得 1.602 176 634·10⁻¹⁹ 焦耳——自 2019 年起这是精确值,因为元电荷已由安培的定义锁定。这个单位覆盖了小尺度的全部物理:一个分子的键能是几电子伏,一个 X 射线量子是几十千电子伏,大型强子对撞机里的质子是七太电子伏。
光子的能量以电子伏计,就是 1240 除以以纳米计的波长。550 纳米的绿光是 2.25 eV,可见光全都落在 1.65 与 3.26 eV 之间。一个数便顶替了口袋里的普朗克常数。
02 · 换算
输入能量——名片替您换算
唯有电子伏能一次便当地折成四把尺子:能量、温度、波长和质量。物理学家把这四者当作同义词——「两电子伏处的跃迁」与「620 纳米处的谱线」说的是同一件事。
经由 E = mc²,电子伏也成了质量的尺度。电子重 511 keV/c²,质子 938 MeV/c²,希格斯玻色子 125 GeV/c²。粒子物理里通常把除以 c² 省去。
| 单位 | 名称 | 数值 | 常见于何处 |
|---|---|---|---|
| eV | 电子伏 | 1 | 分子的键、原子的光谱 |
| meV | 毫电子伏 | 1000 | 晶格振动、热噪声 |
| keV | 千电子伏 | 0.001 | X 射线、内层电子壳 |
| MeV | 兆电子伏 | 1·10⁻⁶ | 核跃迁、粒子质量 |
| GeV | 吉电子伏 | 1·10⁻⁹ | 对撞机、质子质量 |
| TeV | 太电子伏 | 1·10⁻¹² | 加速器的极限、宇宙线 |
同一行有四种读法:读作能量,读作光子的波长,读作温度 kT,读作以 eV/c² 计的质量。物理学家把它们当同义词用。
03 · 数量级
从热噪声到宇宙线化学键与可见光
04 · 测量仪器
用什么测电子伏
按量子的能量把辐射摊开。锗探测器分辨谱线可精到千电子伏。
束流的能量由粒子走过的总电压定下:单位的名字正由此得来。LHC 把质子加速到 7 TeV。
量度被光打出的电子的能量:量子与动能之差,便是物质中的束缚能。
把粒子整个吞下,以吉电子伏量出放出的能量。希格斯玻色子正是这样在 125 GeV 处被找到的。
05 · 书写规则
e 小写,V 大写,词头置于二者之前
符号连写:keV、MeV、GeV——词头置于整个单位之前,不落在两个字母之间。大写 E 会是艾,小写 v 什么也不是。行文中可用本地写法称呼单位,公式与表格里则以拉丁符号为宜。
粒子物理采用 c = 1 的一套体系,质量便径直写成 GeV,不再除以光速的平方。出了这个领域,c² 不可省去:eV 与 eV/c² 是不同的量。
06 · 相邻单位
电子伏站在三个 SI 单位的交界处:电子的电荷给出因子,伏特给出定义,焦耳给出结果。经普朗克常数与玻尔兹曼常数,它可换成频率与温度。
在 300 K,热能 kT 为 25.9 meV——这个数值定下了电子学与化学中热过程的尺度。
07 · 历史部分
原子尺度上的邻居
CGS 制的能量单位。对原子尺度而言显得太粗:电子伏比尔格小六千亿倍。
氢的电离能:13.6 eV。原子光谱至今仍以里德伯和倒厘米来计。
能量的原子单位,是里德伯的两倍。分子的计算正用它来做——如此方程里的常数便都消失了。
按每摩尔物质计的束缚能。生物化学与有机化学抱住它不放,物理学则转投了电子伏。
一个非 SI 单位,2019 年起比焦耳还精确
SI 改制之前,电子伏是近似的:它的值取决于测得的电子电荷,每有新实验便要修正一次。2019 年,元电荷由定义锁定——正好 1.602 176 634·10⁻¹⁹ 库仑——从电子伏到焦耳的换算系数于是成了没有不确定度的精确数。由此出现了有趣的局面:一个 SI 只肯「允许使用」的非 SI 单位,如今与焦耳绝对严格地相连;而体系之内的许多量,反倒只能以有限的精度测得。
目录 · 计量单位
每个量都有一份档案
七个国际单位制基本单位、二十二个有专名的导出单位,以及工程和日常都离不开的非国际制单位。每个单位一页:定义、换算、仪器、书写规则。共 36 种语言。
非国际制单位
打开电子伏的名片SI 基本单位
赭色的是站在电子伏背后的那些有专名的 SI 导出单位
二十二页档案语言
36 种语言。符号 eV 与公式不译——各语言里都一样;所译的是行文、例子,以及各种文字自己的书写规则。