Omregning fra Elektronvolt til Nanojoule

Information om Elektronvolt (eV)

Elektronvolten er en energienhed, der svarer til det arbejde, der udføres på en enkelt elektron, når den passerer en potentialforskel på én volt. Symbolet er eV. Siden SI-omdefineringen i 2019 har den en nøjagtig værdi, 1,602176634 gange ti opløftet til minus nitten joule, fordi elementarladningen nu er en defineret konstant.

Den findes, fordi joulen er håbløst stor for atomernes verden. En enkelt synlig foton bærer mellem cirka 1,6 og 3,3 elektronvolt, og at udtrykke det i joule kræver nitten indledende nuller. At regne i elektronvolt lader en fysiker angive energien i en kemisk binding, en atomar overgang eller et subatomart sammenstød som et tal mellem et og nogle få, hvilket er, hvad en enhed skal gøre.

Skalaen ordner hele fagområder. Kemien bor ved nogle få elektronvolt, energien i bindinger og i de synlige og ultraviolette fotoner, der bryder dem. Røntgenstråling optager kiloelektronvolt. Kernefysikken arbejder i megaelektronvolt, bindingsenergiernes og det radioaktive henfalds skala. Partikelfysikken bruger gigaelektronvolt, hvor protonens hvilemasse er 0,938, og teraelektronvolt ved den store hadronkollider, hvis protoner hver bærer 6,8.

Masse angives i samme enhed gennem masse-energi-relationen. En partikels hvilemasse gives i elektronvolt divideret med lysets hastighed i anden, og fysikere udelader rutinemæssigt nævneren og siger ganske enkelt, at elektronen er 511 kiloelektronvolt. Higgsbosonen er 125 gigaelektronvolt efter samme konvention.

Halvlederteknikken afhænger af den. Det båndgab, der afgør, hvordan et materiale opfører sig elektrisk og optisk, er en energi i elektronvolt: omkring 1,1 for silicium, 3,4 for galliumnitrid, og dette ene tal afgør, om en komponent bliver en solcelle, en transistor eller en blå lysdiode.

Astronomien arver konventionen for højenergetiske fotoner, så gammateleskoper melder deres iagttagelser i gigaelektronvolt og teraelektronvolt i stedet for i bølgelængder.

Partikelacceleratorer bærer navn efter de energier, de når, hvilket er grunden til, at deres navne følger præfikserne. Cockcroft og Waltons maskine, der først spaltede en atomkerne i 1932, arbejdede ved nogle hundrede kiloelektronvolt; Bevatronen i halvtredserne nåede milliarder og fandt antiprotonen; og den store hadronkollider fører protoner til 6,8 teraelektronvolt hver. Den kosmiske stråling sætter alt dette i perspektiv ved at ankomme med energier op til 10 opløftet til tyve elektronvolt, titals millioner gange mere end nogen maskine kan frembringe, om end kun en håndfuld sådanne partikler rammer Jorden på et århundrede pr. kvadratkilometer.

Én elektronvolt svarer til cirka 1,602 gange ti opløftet til minus nitten joule eller omtrent 3,83 gange ti opløftet til minus tyve kalorier.

Information om Nanojoule (nJ)

Nanojoulen er en energienhed, der svarer til en milliardtedel joule, altså 0,000000001 joule. Symbolet er nJ. Den markerer det sted, hvor mekanikken viger for optikken og elektronikken: alt for lidt til at flytte noget, øjet kan se, og alligevel meget stort sammenlignet med energien i en enkelt partikel. Næsten enhver størrelse, der skrives i nanojoule, kommer fra et måleinstrument og ikke fra hverdagen.

Lyset giver det klareste billede af skalaen. En foton grønt lys bærer omkring 3,6 × 10⁻¹⁹ joule, så én nanojoule svarer til cirka 2,8 milliarder af den slags fotoner, der ankommer sammen. Over for varmen er den større endnu: den gennemsnitlige varmeenergi hos et enkelt molekyle ved stuetemperatur er omkring 4 × 10⁻²¹ joule, hvilket placerer nanojoulen cirka 240 milliarder gange højere. Enheden ligger dermed langt over kvanteverdenen og langt under den mekaniske.

Pulserede lasere er der, hvor den gør gavn. Oscillatoren i et tofotonmikroskop leverer impulser på nogle få nanojoule ved firs millioner impulser i sekundet, hvilket i gennemsnit giver nogle hundrede milliwatt stråleeffekt. Fiberlasere, optiske kohærenstomografer og afstandsmålere med flyvetid angives på samme måde, for det, der skader en prøve eller giver et brugbart ekko, er energien i hver impuls og ikke den gennemsnitlige effekt fordelt over sekundet.

Digital elektronik måles mod nanojoulen nedefra. En enkelt omskiftning inde i en processor koster femtojoule og en hukommelsesadgang nogle få pikojoule, så én nanojoule betaler hundredvis af læsninger eller millioner af logiske operationer. Konstruktion til energihøst vender billedet om: en solcelle til indendørs brug, en piezoelektrisk giver eller en radioantenne kan samle blot nogle få nanojoule i sekundet, og hele håndværket med yderst lavt forbrug går ud på at få nyttigt arbejde til at ligge inden for det budget.

Almindelige genstande når skalaen kun, når de er meget små eller næsten ikke bevæges. Et sandkorn på et milligram, der falder en tiendedel millimeter, frigør omkring én nanojoule. At løfte et enkelt hårstrå sin egen bredde koster mindre end det. Intet i et køkken eller et værksted opgøres nogensinde i nanojoule, og netop derfor hører enheden hjemme i laboratorier, laserkataloger og datablade, ikke på regninger og etiketter.

På skrift konkurrerer forstavelsen med potensskrivemåden. Fysikartikler trykker som regel 10⁻⁹ J og går videre, mens instrumentproducenter skriver nJ, fordi det kan være på en specifikationslinje og læses uden regning. Begge former siger den samme størrelse, og valget siger mere om den tiltænkte læser end om målingen. Når en tabel blander impulsenergier over flere dekader, er formerne med forstavelse som regel lettere at sammenligne med ét blik.

Én nanojoule svarer til 0,000000001 joule, cirka 6,24 × 10⁹ elektronvolt eller omkring 2,78 × 10⁻¹³ watttimer.