Warum verwenden wir das Elektronenvolt?

Warum verwenden wir das Elektronenvolt ?

Warum ist es das Elektronvolt geworden und nicht, sagen wir, nur ein Präfix des Joule, wie das Nanojoule?

Stellt das Elektronenvolt etwas Besonderes dar, soweit es die Mathematik betrifft? Ich vermute, dass dies der Fall ist, und wenn ja, was stellt das Elektronenvolt genau in Bezug auf die Masse eines Teilchens dar, da ich gesehen habe, dass es sowohl für die Energie eines Photons als auch für die Masse subatomarer Teilchen verwendet wird?

Aus demselben Grund verwenden wir in der Astronomie AU anstelle von Metern.
Es ist einfach bequem: Ich arbeite mit Fluorophoren und Photonik, und ein Elektronenvolt ist hier eine handliche Größe: ungefähr die Energie eines optischen Photons (genauer gesagt eines mit 1,24 um Wellenlänge). Bindungsenergien in der Chemie liegen ebenfalls in der Größenordnung von Elektronenvolt.
Aus dem gleichen Grund verwenden wir 1 Lichtjahr statt 9.460.730.472.580.800 Meter
Folgefrage: Warum verwenden wir TeV statt µJ? 13 TeV sind nur etwa 2 µJ:P
Ich kaufe das Größenordnungsargument nicht. SI-Präfixe existieren aus einem bestimmten Grund; 1 eV = 0,16 aJ = 160 zJ, 100 eV = 16 aJ. „Attojoule“ zu sagen ist so kurz wie oder kürzer als „Elektronenvolt“. Die Oortsche Wolke ist ca. 15 Uhr unterwegs, der nächste Stern ca. 17 Uhr. Der Mliky Way hat einen Durchmesser von ~1 ZM. Das beobachtbare Universum hat einen Durchmesser von ~865 YM, keine unpraktisch große Zahl, um darüber zu sprechen). Es läuft alles darauf hinaus, woran eine Community gewöhnt ist, weshalb wir Wellennummern enthalten c m − 1 , Längen in Å usw.
Ich glaube, dies ist eine dieser Gelegenheiten, bei denen die Menschlichkeit der Wissenschaft zur Sprache kommt. Menschen sind großartig darin, sich kleine Zahlen vorzustellen: 1-10 ist zum Beispiel wegen unserer Finger besonders stark verwurzelt. Wir können beliebig große oder kleine Mengen intellektuell manipulieren, aber um sie schnell zu konzeptualisieren, ist es einfacher, sie auf etwas zu skalieren, das wir in den Griff bekommen können. Daher Einheiten wie Angström, eVs und (in früheren Zeiten) aggregierte Einheiten wie Yards -> Meilen -> Ligen, Pints ​​-> Gallonen usw. Es ist ein lustiges Gedankenexperiment, sich zu fragen, wie eine Art von 16-Finger oder 3-Finger Aliens würden es tun!
Was mich am eV stört ist, dass es nicht so geschrieben wird e V. Dann wäre es einfach eine Frage der Algebra zu sagen
1 e v = 1,60 × 10 − 19   Lebenslauf = 1,60 × 10 − 19   J .
Die Antwort ist einfach. eV ist eine natürliche Einheit. Wir waren bei der Entwicklung von SI nicht weit genug fortgeschritten, um die grundlegendste natürliche Einheit zu wählen. Schade, SI ist mittlerweile etablierte Tradition. Das ist Geschichte.

Antworten (5)

Das Elektron-Volt ist eine bequeme Energieeinheit, wenn man betrachtet, wie sich Elektronen zwischen Punkten mit unterschiedlichen Potentialen bewegen. Die Bequemlichkeit ergab sich aus numerischen Werten, die um oder größer als eins liegen, 1 e v = 1.6 × 10 − 19 J . Es wurde erstmals in den 1930er Jahren verwendet.

So hat man vielleicht ein besseres "Gefühl" für den Unterschied zwischen 1 und 100 eV als 1.6 × 10 − 19 J und 1.6 × 10 − 17 J und der Wert in Elektronenvolt ist einfacher zu schreiben.
Elektronenenergieniveaus werden praktischerweise in Elektronenvolt angegeben, und dann zeigen Kernenergieniveaus in MeV einen deutlichen Unterschied in Bezug auf den Maßstab.

Dann wird es auch bequem, eV/c² mit dem entsprechenden Präfix als Masseneinheit zu verwenden; zB die Masse des Elektrons mit 500 keV/c² und die des Protons mit 1 GeV/c².

Es ist keine SI-Einheit, wird aber beibehalten, weil es nicht nur praktisch ist, sondern auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft weit verbreitet war und ist.

Dies ist genau das gleiche Argument, warum wir mpg und mph in den USA/Großbritannien verwenden – Konvention und Vertrautheit erzeugen Bequemlichkeit und Intuition. Aber ich denke nicht, dass wir den Fehler machen sollten zu glauben, dass es eine Eigenschaft der Einheit ist: Es ist eine Eigenschaft der Menschen. Ich erinnere mich, dass sobald ich ein Atom ~= Angström = 0,1 nm wirklich verstanden hatte, alle möglichen relativen Skalen zusammenfielen, Durchmesser von Zellen in Atomen, Breite eines Drahtes auf einem IC.

Nur ansprechen, warum es heute in der Wissenschaft verwendet/nützlich ist, nicht warum oder wie es dazu kam

Die anderen Antworten scheinen aus der Sicht eines Teilchenphysikers zu kommen; für einen chemiker ist das elektronvolt auch praktisch:

Bitte beachten Sie, dass es sich hierbei um "Größenordnungsbereiche" handelt.

+1 Ich mag diese Antwort, ich denke, es ist nützlich, hier einen Chemiker zu haben :-) (Übrigens: Ich habe meine Antwort aus dem Teilchenphysik-Pov geschrieben, weil OP das Tag verwendet particle-physicshat, sodass ich annahm, dass sie hauptsächlich an diesem Zweig interessiert waren , aber Ihre Antwort ist auch nützlich, zumindest für mich)
-1 Sie lassen es so klingen, als wären dies Zufälle. Jeder dieser Prozesse ist ein physikalischer Prozess. Die gleichen, mit denen sich der Physiker befasst. Der Grund dafür, dass diese Prozesse alle im Bereich von eV liegen, liegt darin, dass sie alle Elektronen beinhalten UND wir das Volt aus einem chemischen Prozess definiert haben.
@Aron Nein, tut er nicht. Vielleicht ist es nur etwas, das Sie in die Antwort projizieren? Elektronenvolt sind bequem, das war's.
@Luaan Nein, Aron hat da eine Stärke. Es gibt keine natürliche Spannungsskala: ein Elektronvolt ist gleich ( e / 1 C ) J , und die Definition des Coulomb ist willkürlich. Das SI-Volt wurde übrigens in der Größenordnung der Leistung von Daniell- und Clark-Zellen gewählt, die eine konstante Spannung erzeugen, die aus chemischen Prozessen stammt. Dies bedeutet, dass der erste Punkt von Pentan kein Zufall ist - er ist der Grund, warum wir das Volt von Anfang an in dieser Größenordnung gewählt haben.
@EmilioPisanty Ich stimme zu, dass die Antwort davon profitieren könnte, diese relevanten Informationen aufzunehmen. Aber der Hauptpunkt von Pentan ist immer noch, dass es für die Chemie geeignet ist. Sicher, das folgt daraus, dass die ersten interessanten Batterien chemische Batterien waren, aber das ist nur historische Trivia - wichtig für Teilchenphysiker, aber nicht für Chemiker, wo es einfach eine ziemlich bequeme Einheit ist, gerade weil sich die Chemie hauptsächlich mit gebundenen Elektronen befasst, insbesondere mit den äußersten Elektronen die nicht zu sehr abgeschirmt sind. Es ist nicht so, dass das Messgerät irgendetwas Natürliches an sich hätte, V ist nichts Besonderes.
@EmilioPisanty "Das höchste Ionisationspotential einer neutralen Spezies beträgt <1 eV". Was ist Ihre Quelle? Sofern ich das nicht falsch verstehe und diese ersten Ionisationsenergien zwischen 5-25 eV liegen. Zweite oder dritte Ionisationsenergien wären natürlich höher.
Zu den anderen Kommentaren: Ich habe versucht, nur "was ist der Nutzen von eV oder wo taucht es in der heutigen Wissenschaft auf?" (OPs erste Frage) und nicht "warum existiert die Einheit eV und woher kommt sie" (der Geist der zweiten Frage von OP). Ich hoffe, meine Antwort war hilfreich bei der Beantwortung von Frage Nr. 1 und nicht irreführend in Bezug auf die Antwort auf Frage Nr. 2. Es ist sicherlich kein Zufall, dass diese Prozesse im Bereich von 1-100 eV liegen. Wenn jemand eine andere Antwort geben würde, in der es darum geht, warum die Einheit aus historischer / chemischer Sicht erstellt wurde, würde ich sie gerne positiv bewerten.
@pentane Entschuldigung, das war ich, weil ich dumm war. Mein Gehirn sagte <1 hartree und ich rollte einfach mit der Falschheit. Auf jeden Fall kommt keine erste Ionisationsenergie auch nur in die Nähe von 100 eV.
In Bezug auf Zufall/Nicht-Zufall wäre es gut, wenn Sie zumindest angeben könnten, dass es kein Zufall ist. Dies ist eine prominente Antwort in einer HNQ-Frage und erweckt den falschen Eindruck, dass die darin angegebenen Ergebnisse zufällig sind. Außerdem hat dies einen direkten Bezug zur Titelfrage - wir verwenden das Elektronenvolt für die Chemie, weil die Chemie das Volt bestimmt.

„In der Vergangenheit wurde das Elektronvolt als Standardmaßeinheit entwickelt, weil es in den Wissenschaften der elektrostatischen Teilchenbeschleuniger nützlich ist, da es sich um ein geladenes Teilchen handelt q hat eine Energie E = q v nach Durchgang durch das Potential v ; wenn q wird in ganzzahligen Einheiten der Elementarladung und die Klemmenvorspannung in Volt angegeben, erhält man eine Energie in eV."
Quelle

Außerdem müssen Sie zugeben, dass Energien geschrieben werden als x ⋅ 10 − 19 J sind nicht die nützlichsten Zahlen, mit denen man arbeiten kann. Eine beliebige Standardgröße (z. B. Angström) als Vergleich zu verwenden, um Zahlen zu erhalten, die uns tatsächlich etwas sagen und die es uns erleichtern, darüber zu sprechen, ist in der Physik ein weit verbreiteter Brauch.

Ich denke, das liegt wirklich daran, dass die Leute damit begannen, Partikelmassen in Beschleunigern zu messen, in denen anfangs der größte Teil der Beschleunigung durch elektrische Felder erfolgte – was dies zu einer ziemlich „natürlichen“ Skala machte. Massen in Energien anzugeben, ist wohl hauptsächlich Einstein geschuldet und der Tatsache, dass die Massen wieder zu ziemlich fiesen Zahlen werden würden - und die Verwendung eines zweiten willkürlichen Standards (z. B. Protonenmasse) schien wahrscheinlich weniger attraktiv zu sein, als von allem mit einem sprechen zu können "kundenspezifischer Standard".
Ok, ja, ich glaube ich verstehe was du hier meinst.
Schreibt wirklich jemand 10^-19J aus? (Ja, das tun sie - also warum?) Warum nicht Präfixe verwenden, wie alle anderen auch? 1aJ, 100zJ ... ? Abgesehen von Konventionen natürlich.
Aus diesem Grund verwenden Physiker manchmal natürliche Einheiten (wie Planck-Einheiten). Mit ihnen zu rechnen ist viel einfacher, weil viele Konstanten verschwinden .
@Sanya Warum hat ein Teilchen diese Energiemenge, wenn es sich durch ein elektrisches Feld bewegt? Wird die Schwerkraft vernachlässigt?

Es ist nur eine Konvention und keine besonders bequeme. In der Teilchenphysik verwenden wir kaum je e v ; es ist viel häufiger zu verwenden M e v , G e v oder auch T e v . Die Elektronenvolt-Skala ist keine natürliche Skala für die Teilchenphysik: Typische Energien sind mindestens eine Million Mal höher (mit Ausnahme von Neutrinos). Wir verwenden es aus historischen Gründen, aber ich denke, Sie werden mir zustimmen, dass es bequemer ist, dass Joule: ein Elektronvolt ist etwas näher an der Masse eines Protons als ein Joule ( m p ∼ 10 − 10   J ∼ 10 9   e v ).

Vielleicht sollte ich hinzufügen, dass Elektronenvolt in der Festkörperphysik manchmal eine natürliche Skala sind.

@BenjaminRogers-Newsome du bist natürlich willkommen. Eine natürliche Skala bedeutet, dass Sie Einheiten verwenden, die sozusagen "sinnvoll" sind. Beispielsweise macht es keinen Sinn, die Masse einer Person in Tonnen zu messen, da die Masse meist in der Größenordnung von kg liegt. Aus demselben Grund ist es auch nicht sinnvoll, Mikrogramm zu verwenden: Sie verwenden Einheiten, die sehr weit von der Skala entfernt sind, die Sie messen möchten.
Ich denke, das meiste davon verfehlt den Punkt. Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Frage nicht lautet: "Warum verwenden die Leute eV anstelle von MeV, GeV usw.?" aber "Warum verwenden die Leute das Elektron-Volt als Basiseinheit anstelle des Joule?"
@DavidRicherby ja, und meine Antwort auf diese Frage lautet: "In der Teilchenphysik aus historischen Gründen. In der Teilchenphysik sind Elektronenvolt nicht nützlich, sondern nur üblich". In anderen Bereichen der Physik haben Elektronenvolt einen Grund, aber in der Teilchenphysik nicht: Sie sind nicht wirklich bequem. (OP fragte nach eV im Kontext der Teilchenphysik, also glaube ich nicht, dass ich den Punkt verfehle ...)

Ursprünglich könnte eV die richtige Einheit für Elektronenenergie gewesen sein, die von Leuten verwendet wurde, die Experimente mit kathodischen Röhren durchführten. In diesen Experimenten emittierte eine Kathode Elektronen, wenn eine Kathoden-Anoden-Vorspannung vorhanden war. Die Vielfachen von eV sind die richtige Einheit, wenn Sie Beschleunigerphysik betreiben. MeV, GeV, TeV werden gewählt, weil sie auch der Größenordnung der Elektronenenergien in diesen Beschleunigern am nächsten kommen. Als Faustregel wählt man also die Einheit, die der Größenordnung der Energie in der Art des interessierenden physikalischen Phänomens am nächsten kommt.

Wenn Sie beispielsweise Elektronentransport in Nanostrukturen (wie Kohlenstoffnanoröhren) durchführen, möchten Sie möglicherweise meV für Energien, nm für Entfernungen und fs für Zeit verwenden. Wenn Sie sich für die Bandstruktur von Festkörpern interessieren, ist die beste Einheit eV, da die Bandlücken für Isolatoren normalerweise einige eV betragen.

Wenn Sie andererseits Ingenieurwesen betreiben und hauptsächlich mit makroskopischen Objekten arbeiten, werden Sie mit SI-Einheiten arbeiten.

Ich denke, das geht an der Sache vorbei. Ich bin mir ziemlich sicher, dass die Frage nicht lautet: "Warum verwenden die Leute eV anstelle von MeV, GeV usw.?" aber "Warum verwenden die Leute das Elektron-Volt als Basiseinheit anstelle des Joule?"
@DavidRicherby Ich denke, es ist wirklich der gleiche Grund. Sie würden J verwenden, wenn Sie Probleme wie die Ballistik von Handfeuerwaffen studieren würden. Die kinetische Energie einer Kugel würde im Bereich von 10-100 J liegen.
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