Elektronenvolt

Das Elektronenvolt, auch Elektronvolt, ist eine Einheit der Energie, die in der Atom-, Kern- und Teilchenphysik häufig benutzt wird. Ihr Einheitenzeichen ist eV.

Ein Elektronenvolt ist die Energiemenge, um welche die kinetische Energie eines Elektrons zunimmt, wenn es eine Beschleunigungsspannung von 1 Volt durchläuft. Sein Wert gemäß der CODATA-Empfehlung ist:^[1]

$ 1~\mathrm {eV} =1{,}602\,176\,565(35)\cdot 10^{-19}~\mathrm {J} $

(also mit einer Standardabweichung von 3,5 · 10⁻²⁷ J).

Benennung

Die Benennung der Einheit erfolgt in der deutschsprachigen Fach- und Lehrliteratur weit überwiegend in der Form „Elektronenvolt“, also mit der Silbe „en“ zwischen „Elektron“ und „volt“. Andererseits sieht die Ausführungsverordnung zum Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung vom 13. Dezember 1985 die Form „Elektronvolt“ vor.^[2]

Die DIN-Norm 1301-1 „Einheiten – Einheitennamen, Einheitenzeichen“ vom Oktober 2010 empfiehlt die Form „Elektronvolt“^[3] In der Norm DIN 66030 „Informationstechnik - Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat“ vom Mai 2002 wird dagegen die Form „Elektronenvolt“ verwendet.^[4]

Während das Elektronenvolt eine Einheit der Energie ist, ist das Volt eine Einheit für die elektrische Spannung.

Verwendung

Das Elektronenvolt wird als „handliche“ Einheit in der Atomphysik und verwandten Fachgebieten wie der experimentellen Elementarteilchenphysik verwendet, siehe auch Natürliche Einheiten: Sowohl die Masse von Elementarteilchen als auch die Energie, auf die sie in Teilchenbeschleunigern gebracht werden, werden in Elektronenvolt angegeben. Die Umrechnung auf die Masse geschieht mit Hilfe der bekannten Gleichung aus der speziellen Relativitätstheorie

$ \displaystyle E=mc^{2} $,

wobei $ E $ für die Energie, $ m $ für die Masse und $ c $ für die Lichtgeschwindigkeit steht. Danach entspricht 1 eV/c² ungefähr 1,783·10⁻³⁶ kg.

Handlich deshalb, weil sich die Energie eines Teilchens, das im elektrischen Feld beschleunigt wird, mit $ E=U\cdot Q $ berechnen lässt und unabhängig von anderen Einflüssen ist. Die Richtung der Bewegung, die Länge des Wegs oder der genaue Verlauf der Feldstärke spielt keine Rolle. Viele Teilchen tragen gerade die Elementarladung. Anstatt die Elementarladung einzusetzen und die Energie in Joule anzugeben, kann man bei ihnen aus einer elektrostatischen Beschleunigung resultierende kinetische Energie direkt in der Einheit eV angeben.

Gebräuchliche dezimale Vielfache des Elektronenvolt sind:

• meV (Millielektronenvolt). Beispiel: ein freies Teilchen hat bei Raumtemperatur eine thermische Energie von knapp 40 meV
• keV (Kiloelektronenvolt). Beispiel: ein Photon der Röntgenstrahlung hat etwa 1–250 keV
• MeV (Megaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Elektrons ist etwa 0,511 MeV
• GeV (Gigaelektronenvolt). Beispiel: die Ruheenergie eines Protons ist etwa 0,94 GeV
• TeV (Teraelektronenvolt). Beispiel: Protonen im LHC haben eine maximale kinetische Energie von 4 TeV^[5]

Die kinetische Energie von schnell bewegten schwereren Atomkernen (Schwerionen) gibt man häufig pro Nukleon an. Als Einheit wird dann AGeV geschrieben, wobei A für die Massenzahl steht. Es gilt: Jeder Kern mit 1 AGeV besitzt die gleiche Geschwindigkeit. Analog gibt es je nach Energieskala das ATeV und das AMeV.

Als Vergleich: Die Spaltprodukte einer Kernspaltung von Uran haben eine Bewegungsenergie von zusammen etwa 167 MeV. Ein typisches Molekül in der Atmosphäre hat eine Bewegungsenergie (thermische Energie) von etwa 0,03 eV. Die Photonen von sichtbarem Licht (rot) haben eine Energie von etwa 2 eV. Im LHC am CERN ist geplant, Protonen mit einer Energie von 14 TeV und Bleikerne mit 1146 TeV miteinander kollidieren zu lassen. Die Energie eines einzelnen Kerns mit ca. 2 µJ bzw. 180 µJ ist dabei immer noch sehr gering (der Nährwert einer Tafel Schokolade mit 2200 kJ entspricht dem 1,1-Billionen- bzw. 12-Milliardenfachen). Berücksichtigt man aber die große Anzahl der Teilchen (1,15 × 10¹¹ Protonen pro Puls, im Ring des LHC befinden sich bis zu 2808 Pulse ^[6]) kommt ein einzelner Puls mit 258 kJ schon nahe an die Tafel Schokolade heran. Die Gesamtenergie der im Ring befindlichen Protonen übersteigt diese mit 724 MJ bei weitem.

Elektronenvolt pro Mol

In der Chemie wird oft nicht die Energie pro Teilchen, sondern pro Mol (mit der Einheit J/mol) angegeben, die man durch Multiplikation der Energie des einzelnen Teilchens mit der Avogadro-Konstante $ N_{\mathrm {A} } $ erhält, zum Beispiel:

$ 1\,\mathrm {eV} \cdot N_{\mathrm {A} }=96\,485\,\mathrm {J/mol} $

Übersichtstabelle: Umrechnungsfaktoren Energieeinheiten

Einzelnachweise