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.

Umrechnungstabelle für Elektronenvolt