Mario Sedlak
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Elektronenvolt
(Abkürzung: eV)

Durchläuft ein Elektron eine Spannungsdifferenz von 1 V, gewinnt es (wenn es nicht durch Kollisionen etc. gestört wird) ca. 1,6·10–19 J an Bewegungsenergie.[1] Dieser Energiebetrag wird als 1 Elektronenvolt definiert. Die Maßeinheit Elektronenvolt, die man so erhält, wird in der Physik für Energien einzelner Teilchen verwendet.

Gebräuchliche Vorsätze

1 meV = 1 Millielektronenvolt = 1 Tausendstel Elektronenvolt = 10–3 eV ≈ 1,6·10–22 J
1 keV = 1 Kiloelektronenvolt = 1000 Elektronenvolt = 103 eV ≈ 1,6·10–16 J
1 MeV = 1 Megaelektronenvolt = 1 Million Elektronenvolt = 106 eV ≈ 1,6·10–13 J
1 GeV = 1 Gigaelektronenvolt = 1 Milliarde Elektronenvolt = 109 eV ≈ 1,6·10–10 J
1 TeV = 1 Teraelektronenvolt = 1 Billion Elektronenvolt = 1012 eV ≈ 1,6·10–7 J
1 PeV = 1 Petaelektronenvolt = 1 Billiarde Elektronenvolt = 1015 eV ≈ 1,6·10–4 J
1 EeV = 1 Exaelektronenvolt = 1 Trillion Elektronenvolt = 1018 eV ≈ 0,16 J

Größenordnungen

5–50 meV ≈ (8–80)·10–22 J Van-der-Waals-Bindungsenergie zweier Atome oder Moleküle, die sich nur aufgrund der ständig schwankenden Verteilung der Elektronen, die den Atomkern umkreisen, anziehen
25 meV4·10–21 J

Wärmeenergie eines Teilchens bei Raumtemperatur

(Hier können folglich Van-der-Waals-Bindungen noch halten. Das bewirkt einen höheren Schmelzpunkt oder Siedepunkt eines Stoffes.)

1–50 eV ≈ (2–80)·10–19 J

typische Energie bei chemischen Reaktionen

Die Spannung in einer Batteriezelle wird durch chemische Reaktionen erzeugt und beträgt deshalb etwa ein Volt.[2]

1,6–3,4 eV(2,6–5,4)·10–19 J

Lichtteilchen im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts

Kann manche chemische Verbindungen lösen, aber die meisten noch nicht

5–20 eV(8–32)·10–19 J Ionisierungsenergie eines Atoms (= Energie, um ein Elektron zu entfernen)
3,4–120 eV(0,5–20)·10–18 J ultraviolettes Lichtteilchen
100 eV–300 keV(0,2–500)·10–16 J Röntgen-Lichtteilchen
18 keV–2,5 MeV ≈ (0,3–40)·10–14 J typische Betastrahlung aus einem radioaktiven Zerfall[3]
30 keV–2 MeV ≈ (0,5–32)·10–14 J typische Gammastrahlung aus einem radioaktiven Zerfall[4]
>200 keV>3,2·10–14 J Gamma-Lichtteilchen
ab 2,18 MeVab 3,49·10–13 J Herauslösung eines Teilchens aus einem Atomkern möglich
3–7 MeV ≈ (5–11)·10–13 J typische Alphastrahlung aus einem radioaktiven Zerfall[5]
17,6 MeV2,8·10–12 J Energie, die beim Fusionieren eines Deuterium- und eines Tritium-Atomkerns frei wird
bis 23 MeVbis 3,7·10–12 J medizinische Bestrahlung von Krebs mit Elektronen
200 MeV3,2·10–11 J Energie, die durch Spaltung eines Uran-235-Atoms frei wird
250 MeV4·10–11 J medizinische Bestrahlung von Krebs mit Protonen
10 MeV–10 GeV(0,02–16)·10–10 J typische kosmische Strahlung
13 TeV2,8·10–6 J maximale Energie, auf die Teilchen derzeit künstlich beschleunigt werden können
320 EeV51 J energiereichstes bisher beobachtetes Teilchen in der kosmischen Strahlung

Elektronenvolt als Masseneinheit

Über Einsteins berühmte Formel E = m·c2 lassen sich Massen in Energien umrechnen und umgekehrt. Das wird in der Kernphysik gemacht: Die Massen von Teilchen werden nicht in einer Maßeinheit für Massen, sondern in der Energieeinheit Elektronvolt angegeben. D. h. es wird angegeben, wie viel Energie nötig wäre, um die Masse des Teilchens zu erzeugen (= wie viel Energie frei wird, wenn man das Teilchen komplett "zerstrahlen" könnte, was meist nur Theorie ist, da man dazu in der Regel Antimaterie brauchen würde).

entspricht (ca.)
<2 eV <3,6·10–33 kg Neutrino
511 keV 0,0005 u ≈ 9,11·10–31 kg Elektron
1022 keV 0,001 u ≈ 1,82·10–30 kg Ab dieser Energie kann sich ein Lichtteilchen in ein Elektron und ein Positron umwandeln ("Paarbildung"). Wenn Elektron und Positron wieder zusammenkommen, verwandeln sie sich zurück in ein Lichtteilchen mit min. 1022 keV (je nach Geschwindigkeit der Teilchen vor der Zerstrahlung kann es auch mehr sein).
938 MeV 1,007 u ≈ 1,673·10–27 kg Proton
940 MeV 1,009 u ≈ 1,675·10–27 kg Neutron
172 GeV 185 u ≈ 3,07·10–25 kg schwerstes bekanntes Elementarteilchen (Top-Quark), ungefähr die Masse eines Goldatoms

Um Elektronenvolt tatsächlich zu einer Masseneinheit zu machen, müsste man sie durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit dividieren. Z. B.:

931,5 MeV/c2 ≈ 1 u ≈ 1,66·10–27 kg

Meist wird aber nur die Energie, die dieser Masse entspricht, angegeben, sodass die Division durch c2 entfällt.

Warum eine eigene Einheit?

Eigentlich sollten alle Energien in Joule gemessen werden, und das wäre mit den vorhandenen Vorsätzen für alle gängigen Größenordnungen von Elektronenvolt auch ohne Weiteres möglich:

1 meV ≈ 0,16 Zeptojoule
1 eV ≈ 0,16 Attojoule
1 keV ≈ 0,16 Femtojoule
...

Als Elektronenvolt in den 1920er Jahren eingeführt wurden, gab es allerdings diese kleinen Vorsätze, die man bei den Joule brauchen würde, noch nicht – und jetzt, wo sich alle an Elektronenvolt gewöhnt haben, will sich keiner mehr umstellen ...

Andere Einheit

Chemiker können oder wollen meist nicht einzelne Teilchen betrachten, sondern sagen etwas über wägbare Mengen von Teilchen. Anstatt die Energie eines Teilchens in Elektronenvolt anzugeben, nennen sie die Energie von 1 mol = ca. 6,022·1023 gleichartiger Teilchen. Das ergibt dann Joule pro Mol.

Beispiele

5–50 meV ≈ 0,5–kJ/mol Van-der-Waals-Bindungsenergie zweier Atome oder Moleküle
1 eV ≈ 96,5 kJ/mol
1–50 eV ≈ 0,1–4,8 MJ/mol typische Energie bei chemischen Reaktionen
5–20 eV ≈ 0,5–1,9 MJ/mol Ionisierungsenergie von Atomen

Abgeleitete Einheiten

Größe Einheit Abk. Anmerkung
Megaelektronenvolt pro Zentimeter MeV/cm Energieverlust eines Teilchens beim Durchgang durch ein Material (z. B. Abschirmung)
  • (lineares) Energieübertragungsvermögen
Kiloelektronenvolt pro Mikrometer keV/µm Bezieht sich häufig, wenn nichts anderes angegeben ist, auf Wasser (wegen der Ähnlichkeit zu Gewebe).[6]

Weiter

Maßeinheiten der Leistung

Quellen

[1]
  • Ein Elektron hat die Elementarladung von ca. 1,6·10–19 C.
  • 1 V = 1 J/C (laut Definition von Volt)

=> Durch 1 V gewinnt ein Elektron 1 J/C, für seine Ladung von ca. 1,6·10–19 C also ca. 1,6·10–19 J.

[2] Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands: Vorlesungen über Physik. Band 1: Hauptsächlich Mechanik, Strahlung, Wärme. München: Oldenburg, 1987 (amerik. Original 1963), S. 592
[3] Bayerisches Umweltministerium: Radioaktivität und Strahlungsmessung (PDF), S. 77 (im PDF S. 91)
[4] Bayerisches Umweltministerium: Radioaktivität und Strahlungsmessung (PDF), S. 77 (im PDF S. 91)
[5] Bayerisches Umweltministerium: Radioaktivität und Strahlungsmessung (PDF), S. 77 (im PDF S. 91)
[6] Strahlenschutz-Lexikon (PDF, 15 MB), S. 255