Umrechnung von Elektronenvolt in Nanojoule

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.

Informationen über Nanojoule (nJ)

Das Nanojoule ist eine Energieeinheit und entspricht einem Milliardstel Joule, also 0,000000001 Joule. Sein Zeichen ist nJ. Es markiert die Stelle, an der die Mechanik der Optik und der Elektronik weicht: viel zu wenig, um etwas Sichtbares zu bewegen, und dennoch sehr groß gegenüber der Energie eines einzelnen Teilchens. Fast jede in Nanojoule geschriebene Größe stammt aus einem Messgerät und nicht aus dem Alltag.

Das Licht liefert das deutlichste Bild dieses Maßstabs. Ein Photon grünen Lichts trägt etwa 3,6 × 10⁻¹⁹ Joule, ein Nanojoule entspricht also rund 2,8 Milliarden solcher Photonen, die gemeinsam eintreffen. Gegenüber der Wärme ist es noch größer: Die mittlere thermische Energie eines einzelnen Moleküls bei Raumtemperatur beträgt etwa 4 × 10⁻²¹ Joule, womit ein Nanojoule rund 240 Milliarden Mal darüber liegt. Die Einheit steht damit weit über der Quantenwelt und weit unter der mechanischen.

Gepulste Laser sind der Ort, an dem sie sich bewährt. Der Oszillator eines Zweiphotonenmikroskops liefert Impulse von einigen Nanojoule bei achtzig Millionen Impulsen je Sekunde, was im Mittel einige hundert Milliwatt Strahlleistung ergibt. Faserlaser, Geräte der optischen Kohärenztomografie und Laufzeitentfernungsmesser werden ebenso angegeben, denn was eine Probe schädigt oder ein brauchbares Echo zurückwirft, ist die Energie je Impuls und nicht die über die Sekunde verteilte mittlere Leistung.

Die Digitalelektronik misst sich von unten am Nanojoule. Ein einzelner Schaltvorgang in einem Prozessor kostet Femtojoule, ein Speicherzugriff einige Pikojoule, sodass ein Nanojoule Hunderte von Lesezugriffen oder Millionen logischer Operationen bezahlt. Der Entwurf zur Energiegewinnung kehrt das Bild um: Eine Fotovoltaikzelle für Innenräume, ein piezoelektrischer Abnehmer oder eine Hochfrequenzantenne sammeln mitunter nur wenige Nanojoule je Sekunde, und die gesamte Kunst des Entwurfs mit kleinstem Verbrauch besteht darin, nützliche Arbeit in dieses Budget einzupassen.

Gewöhnliche Gegenstände erreichen diesen Maßstab nur, wenn sie sehr klein sind oder kaum bewegt werden. Ein Sandkorn von einem Milligramm, das einen zehntel Millimeter fällt, gibt ungefähr ein Nanojoule frei. Ein einzelnes Haar um seine eigene Dicke anzuheben kostet noch weniger. Nichts in einer Küche oder einer Werkstatt wird je in Nanojoule beziffert, und genau deshalb gehört die Einheit in Laboratorien, Laserkataloge und Datenblätter, nicht auf Rechnungen und Etiketten.

Im Schriftbild steht das Vorsatzzeichen im Wettbewerb mit der wissenschaftlichen Schreibweise. Physikalische Arbeiten drucken meist 10⁻⁹ J und gehen weiter, während Gerätehersteller nJ schreiben, weil es in eine Spezifikationszeile passt und ohne Rechnung lesbar ist. Beide Formen nennen dieselbe Größe, und die Wahl sagt mehr über die vorgesehene Leserschaft als über die Messung. Mischt eine Tabelle Impulsenergien über mehrere Dekaden, lassen sich die Vorsatzformen meist auf einen Blick besser vergleichen.

Ein Nanojoule entspricht 0,000000001 Joule, etwa 6,24 × 10⁹ Elektronenvolt oder rund 2,78 × 10⁻¹³ Wattstunden.