Umrechnung von Kalorien in Elektronenvolt

Informationen über Kalorie (cal)

Die Kalorie ist eine Energieeinheit und entspricht 4,184 Joule. Ihr Zeichen ist cal. Ursprünglich war sie als die Wärme bestimmt, die nötig ist, um ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen, und sie ist keine SI-Einheit, überlebt aber fast überall dort, wo von Nahrung und Wärme die Rede ist.

Die ursprüngliche Bestimmung war unbequem, weil die Antwort von der Ausgangstemperatur abhängt. Wasser braucht etwas mehr Wärme, um von 14,5 auf 15,5 Grad zu steigen, als von 19,5 auf 20,5, weshalb mehrere konkurrierende Kalorien bestanden: die Fünfzehn-Grad-Kalorie, die mittlere Kalorie und die Kalorie der internationalen Dampftafeln, unter anderen. Die heute verwendete thermochemische Kalorie ist schlicht als genau 4,184 Joule festgelegt, was die Bindung an Wasser vollständig kappt und die Mehrdeutigkeit beendet.

Die größere Verwirrung betrifft die Größenordnung. Die auf Lebensmittelverpackungen in den Vereinigten Staaten gedruckte Kalorie ist gar nicht diese Einheit, sondern die Kilokalorie, tausendmal größer, mitunter durch ein großes C unterschieden. Ein Keks mit angeblich sechzig Kalorien enthält in Wahrheit sechzigtausend der hier beschriebenen Einheit. Die Gepflogenheit ist verfestigt und wird sich kaum ändern, sodass Nährwertzahlen und physikalische Zahlen in verschiedenen Registern zu lesen sind.

Die Chemie behielt die Kalorie lange, nachdem die Physik weitergezogen war. Reaktionsenthalpien, Bindungsenergien und Bildungswärmen wurden den größten Teil des zwanzigsten Jahrhunderts in Kilokalorien je Mol tabelliert, und ältere Literatur wie manche heutigen amerikanischen Lehrbücher tun es weiterhin. Die entsprechende SI-Zahl in Kilojoule je Mol ist um den Faktor 4,184 größer, und eine Verwechslung erzeugt Fehler, die plausibel aussehen.

Die Ernährungswissenschaft nutzt sie, weil die menschliche Energiebilanz zufällig auf einer bequemen Skala in Kilokalorien liegt, mit einem Tagesbedarf von etwa zweitausend. In Joule ist dieselbe Zahl rund achteinhalb Millionen, was zutrifft, sich aber schwerer im Kopf handhaben lässt.

Klima- und Kältetechnik geben in manchen Ländern die Leistung noch in Kilokalorien je Stunde an, und Heizwerte von Brennstoffen erscheinen in älteren technischen Tafeln als Kalorien je Gramm.

Eine Kalorie entspricht genau 4,184 Joule, 0,001 Kilokalorien oder etwa 0,00116 Wattstunden.

Informationen über Elektronenvolt (eV)

Das Elektronenvolt ist eine Energieeinheit und entspricht der Arbeit, die an einem einzelnen Elektron verrichtet wird, das eine Potentialdifferenz von einem Volt durchläuft. Sein Zeichen ist eV. Seit der Neudefinition des SI im Jahr 2019 hat es einen exakten Wert, 1,602176634 mal zehn hoch minus neunzehn Joule, weil die Elementarladung nun eine festgelegte Konstante ist.

Es existiert, weil das Joule für die Welt der Atome hoffnungslos groß ist. Ein einzelnes sichtbares Photon trägt zwischen etwa 1,6 und 3,3 Elektronenvolt, und dies in Joule auszudrücken verlangt neunzehn führende Nullen. In Elektronenvolt zu rechnen erlaubt es, die Energie einer chemischen Bindung, eines Atomübergangs oder eines subatomaren Stoßes als Zahl zwischen eins und wenigen anzugeben, und genau das soll eine Einheit leisten.

Der Maßstab ordnet ganze Fachgebiete. Die Chemie lebt bei wenigen Elektronenvolt, der Energie von Bindungen und der sichtbaren und ultravioletten Photonen, die sie brechen. Röntgenstrahlen belegen die Kiloelektronenvolt. Die Kernphysik arbeitet in Megaelektronenvolt, dem Maßstab der Bindungsenergien und des radioaktiven Zerfalls. Die Teilchenphysik nutzt Gigaelektronenvolt, wo die Ruhemasse des Protons 0,938 beträgt, und Teraelektronenvolt am Großen Hadronen-Speicherring, dessen Protonen je 6,8 tragen.

Masse wird über die Masse-Energie-Beziehung in derselben Einheit angegeben. Die Ruhemasse eines Teilchens steht in Elektronenvolt geteilt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit, und Physiker lassen den Teiler gewöhnlich weg und sagen schlicht, das Elektron habe 511 Kiloelektronenvolt. Das Higgs-Boson hat nach derselben Übereinkunft 125 Gigaelektronenvolt.

Die Halbleitertechnik hängt davon ab. Die Bandlücke, die bestimmt, wie sich ein Werkstoff elektrisch und optisch verhält, ist eine Energie in Elektronenvolt: rund 1,1 für Silicium, 3,4 für Galliumnitrid, und diese eine Zahl entscheidet, ob ein Bauelement eine Solarzelle, ein Transistor oder eine blaue Leuchtdiode ist.

Die Astronomie übernimmt die Konvention für hochenergetische Photonen, sodass Gammateleskope ihre Beobachtungen in Gigaelektronenvolt und Teraelektronenvolt statt in Wellenlängen berichten.

Teilchenbeschleuniger tragen den Namen der Energien, die sie erreichen, weshalb ihre Namen den Vorsätzen folgen. Die Maschine von Cockcroft und Walton, die 1932 erstmals einen Kern spaltete, arbeitete mit einigen hundert Kiloelektronvolt; das Bevatron der fünfziger Jahre erreichte Milliarden und fand das Antiproton; und der Große Hadronenspeicherring bringt Protonen auf je 6,8 Teraelektronvolt. Die kosmische Strahlung rückt all das zurecht, denn sie trifft mit Energien bis zu 10 hoch zwanzig Elektronvolt ein, zig Millionen Mal mehr, als eine Maschine erzeugen kann — wenngleich in einem Jahrhundert nur eine Handvoll solcher Teilchen je Quadratkilometer die Erde trifft.

Ein Elektronenvolt entspricht etwa 1,602 mal zehn hoch minus neunzehn Joule oder rund 3,83 mal zehn hoch minus zwanzig Kalorien.