¿Por qué usamos el electrón voltio?

¿Por qué usamos el electrón voltio ?

¿Por qué llegó a ser el electrón-voltio y no, digamos, solo un prefijo del julio, como el nanojulio?

¿El electronvoltio representa algo en particular en lo que respecta a las matemáticas? Supongo que sí, y si es así, ¿qué representa exactamente el electrón-voltio en términos de la masa de una partícula, como he visto que se usa tanto para la energía de un fotón como para la masa de partículas subatómicas?

Por la misma razón por la que usamos AU en lugar de metros en astronomía.
Es simplemente conveniente: trabajo con fluoróforos y fotónica, y un electrón voltio es un tamaño útil aquí: aproximadamente la energía de un fotón óptico (más precisamente, una longitud de onda de 1,24 um). Las energías de enlace en química también son del orden de electronvoltios.
Por la misma razón usamos 1 año luz en lugar de 9.460.730.472.580.800 metros
Pregunta de seguimiento: ¿por qué usamos TeV en lugar de µJ? 13 TeV es solo alrededor de 2 µJ:P
No compro el argumento del orden de magnitud. Los prefijos SI existen por una razón; 1 eV = 0,16 aJ = 160 zJ, 100 eV = 16 aJ. Decir "attojoule" es tan corto como o más corto que "electron-volt". La nube de Oort sale ~15 p. m., la próxima estrella ~50 p. m. El Mliky Way tiene ~1 ZM de diámetro. El universo observable tiene un diámetro de ~865 YM, un número nada imprácticamente grande del que hablar). Todo se reduce a lo que una comunidad está acostumbrada, razón por la cual tenemos números de onda en C metro − 1 , longitudes en Å, etc.
Creo que esta es una de esas ocasiones en las que surge la humanidad de la ciencia. Los humanos son excelentes para conceptualizar números pequeños: 1-10 está particularmente arraigado debido a nuestros dedos, por ejemplo. Podemos manipular intelectualmente cantidades arbitrariamente grandes o pequeñas, pero para conceptualizarlas rápidamente es más fácil escalarlas a algo que podamos controlar. Por lo tanto, unidades como angstroms, eVs y (en una época anterior) unidades agregadas como yardas-->millas-->leguas, pintas>galones, etc. Es un divertido experimento mental preguntarse cómo una especie de 16 o 3 dedos ¡Los extraterrestres lo harían!
Lo que me molesta del eV es que no está escrito como mi V. Entonces sería simplemente una cuestión de álgebra decir
1 mi V = 1.60 × 10 − 19   CV = 1.60 × 10 − 19   j .
La respuesta es simple. eV es una unidad natural. No estábamos lo suficientemente avanzados al desarrollar SI para elegir la unidad natural más básica. Lástima, SI tal como está ahora es una tradición establecida. Eso es historia.

Respuestas (5)

El electrón-voltio es una unidad de energía conveniente cuando se considera que los electrones se mueven entre puntos a diferentes potenciales. La conveniencia vino de tener valores numéricos que son alrededor o mayores que uno, 1 mi V = 1.6 × 10 − 19 j . Se utilizó por primera vez en la década de 1930.

Entonces, uno quizás tenga una mejor "sensación" de la diferencia entre 1 y 100 eV que 1.6 × 10 − 19 j y 1.6 × 10 − 17 j y el valor en electronvoltios es más fácil de escribir.
Los niveles de energía de los electrones se citan convenientemente en electronvoltios y luego los niveles de energía nuclear en MeV muestran una clara diferencia en términos de escala.

Luego, usar eV/c² con el prefijo apropiado como unidad de masa también se vuelve conveniente; por ejemplo, la masa del electrón como 500 keV/c² y la del protón como 1 GeV/c².

No es una unidad SI, pero se conserva porque, además de ser conveniente, era y sigue siendo de uso generalizado en la comunidad científica.

Este es el mismo argumento de por qué usamos mpg y mph en EE. UU./Reino Unido: la convención y la familiaridad generan conveniencia e intuición. Pero no creo que debamos cometer el error de pensar que es una cualidad de la unidad: es una cualidad de las personas. Recuerdo que una vez que realmente entendí un átomo ~= angstrom = 0.1nm, todo tipo de escalas relativas cayeron en su lugar, diámetro de celdas en átomos, ancho de un cable en un IC.

Abordar solo por qué se usa/útil en la ciencia hoy en día, no por qué o cómo surgió.

Las otras respuestas parecen provenir del punto de vista de un físico de partículas; para un químico, el electronvoltio también es conveniente:

Tenga en cuenta que estos son rangos de "orden de magnitud".

+1 Me gusta esta respuesta, creo que es útil tener un punto de vista químico aquí :-) (Por cierto: escribí mi respuesta desde el punto de vista de física de partículas porque OP usó la etiqueta particle-physics, así que supuse que estaban interesados ​​principalmente en esa rama , pero tu respuesta también es útil, al menos para mí)
-1 Lo haces parecer como si fueran coincidencias. Cada uno de estos procesos son procesos físicos. Los mismos con los que se ocupa el Físico. La razón por la que estos procesos están todos en el rango de eV es porque todos involucran electrones Y definimos el voltio de un proceso químico.
@Aron No, no lo hace. ¿Quizás es solo algo que estás proyectando en la respuesta? Los electronvoltios son convenientes, eso es todo.
@Luaan No, Aron tiene un punto fuerte ahí. No existe una escala de voltaje natural: un electronvoltio es igual a ( mi / 1 C ) j , y la definición de Coulomb es arbitraria. Da la casualidad de que el voltio SI se eligió en el orden de magnitud de la salida de las celdas de Daniell y Clark, que producen un voltaje constante que proviene de procesos químicos. Esto significa que el primer punto del pentano no es una coincidencia: es la razón por la que elegimos el voltio en esa magnitud para empezar.
@EmilioPisanty Estoy de acuerdo en que la respuesta podría beneficiarse al incluir esta información relevante. Pero el punto principal del pentano sigue siendo que es conveniente para la química. Claro, eso se deduce de que las primeras baterías interesantes son baterías químicas, pero eso es solo una trivia histórica: importante para los físicos de partículas, pero no para los químicos, donde es simplemente una unidad bastante conveniente exactamente porque la química se ocupa principalmente de los electrones enlazados, especialmente los electrones más externos. que no están demasiado blindados. No es que haya nada natural en el medidor, V no es especial.
@EmilioPisanty "el potencial de ionización más alto de una especie neutral es <1 eV" ¿cuál es su fuente? A menos que esté malinterpretando esto y estas primeras energías de ionización estén entre 5-25 eV. Por supuesto, las energías de segunda o tercera ionización serían más altas.
con respecto a los otros comentarios: busqué abordar solo "¿cuál es el uso de eV o dónde aparece en la ciencia actual?" (Primera pregunta de OP) en lugar de "¿por qué existe la unidad eV y de dónde vino" (el espíritu de la segunda pregunta de OP). Espero que mi respuesta haya sido útil para responder a la pregunta n.º 1 y no engañosa sobre la respuesta a la pregunta n.º 2. Ciertamente no es coincidencia que estos procesos estén en el rango de 1-100 eV. Si alguien proporcionara otra respuesta que abordara por qué se creó la unidad desde una perspectiva histórica/química, me complacería votarla.
@pentane disculpas, fui yo siendo estúpido. Mi cerebro dijo <1 hartree y simplemente rodé con lo incorrecto. En cualquier caso, ninguna primera energía de ionización se acerca a 100eV.
Sobre el tema de la coincidencia/no coincidencia, sería bueno que al menos pudieras indicar que no es una coincidencia. Esta es una respuesta destacada en una pregunta HNQ y da la impresión incorrecta de que los resultados que indica son coincidentes. Además, esto tiene una relación directa con la pregunta del título: usamos el electrónvoltio para la química porque la química determina el voltio.

"Históricamente, el electronvoltio se concibió como una unidad de medida estándar debido a su utilidad en las ciencias de los aceleradores de partículas electrostáticas porque una partícula con carga q tiene una energía mi = q V después de pasar por el potencial V ; si q se expresa en unidades enteras de la carga elemental y la polarización terminal en voltios, se obtiene una energía en eV".
fuente

Además, tendrá que admitir que las energías escritas como X ⋅ 10 − 19 j no son los números más útiles para trabajar. Usar una cantidad estándar arbitraria (por ejemplo, Angstrom) como comparación para obtener números que realmente significan algo para nosotros y que nos facilita hablar de ellos es una costumbre bastante extendida en la física.

Creo que en realidad se debe a que la gente comenzó a medir las masas de partículas en aceleradores en los que, inicialmente, la mayor parte de la aceleración se realizaba a través de campos eléctricos, lo que hacía de esta una escala bastante "natural". Supongo que dar masas en energías se debe principalmente a Einstein y al hecho de que las masas nuevamente se convertirían en números bastante desagradables, y usar un segundo estándar arbitrario (por ejemplo, masa de protones) probablemente parecía menos atractivo que poder hablar de todo con uno "estándar personalizado".
Ok, sí, creo que entiendo lo que quieres decir aquí.
¿Alguien realmente escribe 10^-19J? (Sí, lo hacen, entonces, ¿por qué?) ¿Por qué no usar prefijos, como todos los demás? 1aJ, 100zJ... ? Aparte de la convención, por supuesto.
Esta es la razón por la que los físicos a veces usan unidades naturales (como las unidades de Planck). Hacer cálculos con ellos es mucho más sencillo porque desaparecen muchas constantes .
@Sanya ¿Por qué una partícula tiene esa cantidad de energía cuando se mueve a través de un campo eléctrico? ¿Se desprecia la gravedad?

Es solo una convención, y no una particularmente conveniente. En física de partículas casi nunca usamos mi V ; es mucho más común usar METRO mi V , GRAMO mi V o incluso T mi V . La escala de electronvoltios no es una escala natural para la física de partículas: las energías típicas son, al menos, un millón de veces más altas que eso (excepto para los neutrinos). Lo usamos por razones históricas, pero supongo que estará de acuerdo en que es más conveniente que Joules: un electrónvoltio está algo más cerca de la masa de un protón que un Joule ( metro pags ∼ 10 − 10   j ∼ 10 9   mi V ).

Quizás debería agregar que en la física del estado sólido, los electronvoltios son a veces una escala natural.

@BenjaminRogers-Newsome, de nada, por supuesto. Una escala natural significa que usas unidades "que tienen sentido", por así decirlo. Por ejemplo, no tiene sentido medir la masa de una persona usando toneladas, porque la masa suele estar en la escala de kg. Tampoco tiene sentido usar microgramos por la misma razón: estás usando unidades que están muy lejos de la escala que quieres medir.
Creo que la mayor parte de esto pierde el punto. Estoy bastante seguro de que la pregunta no es "¿Por qué la gente usa eV en lugar de MeV, GeV, etc.?" sino "¿Por qué la gente usa el electrón-voltio como unidad base en lugar del julio?"
@DavidRicherby sí, y mi respuesta a esa pregunta es: "en física de partículas, por razones históricas. En física de partículas, los electronvoltios no son útiles sino habituales". En otras ramas de la física, los electronvoltios tienen una razón, pero en la física de partículas no: no son realmente convenientes. (OP preguntó sobre eV en el contexto de la física de partículas, así que no creo que me esté perdiendo el punto ...)

Originalmente, eV podría haber sido la unidad correcta para la energía de los electrones utilizada por las personas que estaban haciendo experimentos con tubos catódicos. En esos experimentos, un cátodo emitía electrones si había un sesgo de cátodo-ánodo. Los múltiplos de eV son la unidad correcta si haces física de aceleradores. Se eligen MeV, GeV, TeV porque también están más cerca del orden de magnitud de las energías de los electrones en esos aceleradores. Entonces, como regla general, se elige la unidad más cercana al orden de magnitud de la energía en el tipo de fenómeno físico de interés.

Por ejemplo, si realiza transporte de electrones en nanoestructuras (como nanotubos de carbono), es posible que desee utilizar meV para energías, nm para distancias y fs para tiempo. Si está interesado en la estructura de bandas de los sólidos, la mejor unidad es eV, ya que las brechas de banda para los aisladores suelen ser de unos pocos eV.

Por otro lado, si haces ingeniería y trabajas mayormente con objetos macroscópicos, trabajarás con unidades SI.

Creo que esto pierde el punto. Estoy bastante seguro de que la pregunta no es "¿Por qué la gente usa eV en lugar de MeV, GeV, etc.?" sino "¿Por qué la gente usa el electrón-voltio como unidad base en lugar del julio?"
@DavidRicherby Creo que realmente es la misma razón. Usarías J si estudiaras problemas como balística de pistolas. La energía cinética de una bala estaría en el rango de 10-100J.
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