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科学 / electronvolt

电子伏特

电子伏特是电子在真空中经一伏特电势差加速所获得的能量，精确等于1.602176634×10⁻¹⁹焦耳。

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电子伏特，符号为 eV，是一种能量单位，定义为一个电子在真空中经过一伏特的电势差加速后所获得的动能。它不是国际单位制单位，但获准与国际单位制（SI）并用。一电子伏特精确等于 1.602176634 × 10⁻¹⁹ 焦耳。由于这一单位很小，用它描述单个粒子的能量和微观过程中的能量十分方便。(nist.gov)

定义与物理意义

这一定义将电场做功与粒子能量联系起来。一个带有电荷 qq 的粒子，从初始静电势位置移动到最终静电势位置时，其势能变化为：

ΔU=q(Vf−Vi).\Delta U=q(V_f-V_i).

如果没有其他过程造成能量损失，粒子的动能变化为 ΔK=−ΔU\Delta K=-\Delta U。电子的电荷为 −e-e，因此，当它向电势高一伏特的位置运动时，就会获得一电子伏特的能量。这里的 ee 表示元电荷的正值大小，而不是带符号的电子电荷。其量纲关系为 1 C×1 V=1 J1\ \mathrm{C}\times1\ \mathrm{V}=1\ \mathrm{J}，其中 C 表示库仑。(nist.gov)

这一名称并不意味着该单位只能用于电子或电场加速过程。它可以表示任何能量，包括光子的能量或原子的电离能。电荷大小为 zeze 的粒子，沿着能量增加的方向经过大小为 VV 的电势差加速时，若 VV 的数值以伏特表示，就会获得 zVzV 电子伏特的能量。因此，在理想的无损耗条件下，带有两个元电荷的离子经过 100 V 的电势差加速，会获得 200 eV 的能量。这些结果都源于以电荷和电势差为基础的定义。(nist.gov)

精确数值与国际单位制地位

自修订后的国际单位制于 2019 年 5 月 20 日生效以来，元电荷的精确值为

e=1.602176634×10−19 C.e=1.602176634\times10^{-19}\ \mathrm{C}.

因此，电子伏特与焦耳之间的换算关系是精确的，而不再是由实验确定的近似关系。早期的参考表为这一换算值列出了测量不确定度，因为当时元电荷的数值来自测量，而不是由定义固定。这一变化并未使电子伏特成为国际单位制单位；它仍是获准与国际单位制并用的非国际单位制单位。(bipm.org)

反向换算关系为

1 J≈6.241509074×1018 eV.1\ \mathrm{J}\approx6.241509074\times10^{18}\ \mathrm{eV}.

计算时，将以电子伏特表示的能量数值乘以 1.602176634×10−191.602176634\times10^{-19}，即可得到以焦耳表示的数值。换算因子精确，并不意味着实验测得的能量也是精确的：测量结果仍有其自身的不确定度。(pml.nist.gov)

词头与记法

为了适应差异悬殊的能量尺度，通常会在 eV 前加上国际单位制词头。词头改变的是单位的大小，而不是其物理意义。(nist.gov)

单位 符号 以电子伏特表示的值
毫电子伏特 meV 10−310^{-3} eV
千电子伏特 keV 10310^3 eV
兆电子伏特 MeV 10610^6 eV
吉电子伏特 GeV 10910^9 eV
太电子伏特 TeV 101210^{12} eV

字母的大小写很重要：meV 与 MeV 相差十亿倍。例如，精确换算关系给出 1 MeV=1.602176634×10−13 J1\ \mathrm{MeV}=1.602176634\times10^{-13}\ \mathrm{J} 和 1 TeV=1.602176634×10−7 J1\ \mathrm{TeV}=1.602176634\times10^{-7}\ \mathrm{J}。因此，以电子伏特表示时数值很大的能量，在宏观尺度上仍可能很小。(bipm.org)

原子能量与辐射

电子伏特为讨论原子激发和电离能提供了实用的能量尺度。从一个孤立的、处于基态的氢原子中移走电子，需要约 13.5984 eV 的能量。这表示物理状态之间的能量差，而不是施加在原子上的电压。美国国家标准与技术研究院（NIST）的原子光谱数据库采用电子伏特作为电离能单位。(physics.nist.gov)

在光谱学中，与一次跃迁相对应的光子，其能量等于两个状态之间的能量差。光子能量与频率 ν\nu 和真空波长 λ\lambda 的关系为

E=hν=hcλ,E=h\nu=\frac{hc}{\lambda},

其中 hh 为普朗克常数，cc 为光速。利用国际单位制常数，可以得到便于使用的换算式

E  (eV)≈1239.841984λ  (nm).E\;(\mathrm{eV})\approx \frac{1239.841984}{\lambda\;(\mathrm{nm})}.

因此，波长为 500 nm 的光子，其能量约为 2.48 eV。能量、频率和波长仍是不同的物理量，只是通过这一物理关系相互联系。(pml.nist.gov)

质量、动量与自然单位制

在粒子物理学中，质能等价通过 E0=mc2E_0=mc^2 将粒子的静止能量与质量联系起来。因此，以电子伏特为基础的质量单位包括 eV/c2c^2 和 MeV/c2c^2。电子的静止能量约为 0.510998951 MeV，对应的质量约为 0.510998951 MeV/c2c^2。这些表达式描述的是不同的物理量，只是在所述单位下具有相同的数值。(atlas.cern)

同样，动量可以用 eV/cc 表示。在自然单位制中，通常取 c=ℏ=1c=\hbar=1，因此物理学家在用电子伏特表示能量、质量和动量时，可以不显式写出 cc 的因子。这种约定简化了方程，但并不意味着能量、质量和动量在国际单位制中具有相同的量纲。换回国际单位制下的物理量时，必须恢复相应的常数因子。(atlas.cern)

温度与对应的能量尺度

温度可以通过 kBTk_{\mathrm B}T 与一个能量尺度相联系，其中 kBk_{\mathrm B} 为玻尔兹曼常数。根据国际单位制中的精确值，

kB≈8.617333262×10−5 eV/K.k_{\mathrm B}\approx8.617333262\times10^{-5}\ \mathrm{eV/K}.

因此，kBT=1 eVk_{\mathrm B}T=1\ \mathrm{eV} 对应的温度约为 11,604.518 K，而 300 开尔文对应于 kBT≈0.025852 eVk_{\mathrm B}T\approx0.025852\ \mathrm{eV}。这一换算将温度转换为与之对应的热能尺度，而不是系统的总能量。开尔文仍是国际单位制的温度单位，电子伏特仍是能量单位。(bipm.org)