Conversion de Électronvolts en Mégajoules

Informations sur le Électronvolt (eV)

L’électronvolt est une unité d’énergie égale au travail accompli sur un seul électron traversant une différence de potentiel d’un volt. Son symbole est eV. Depuis la redéfinition du SI de 2019, il possède une valeur exacte, 1,602176634 fois dix puissance moins dix-neuf joule, car la charge élémentaire est désormais une constante définie.

Il existe parce que le joule est désespérément grand pour le monde atomique. Un seul photon visible porte entre environ 1,6 et 3,3 électronvolts, et l’exprimer en joules réclame dix-neuf zéros initiaux. Travailler en électronvolts permet à un physicien d’énoncer l’énergie d’une liaison chimique, d’une transition atomique ou d’une collision subatomique par un nombre compris entre un et quelques-uns, ce qu’une unité est censée faire.

L’échelle organise des disciplines entières. La chimie vit à quelques électronvolts, l’énergie des liaisons et des photons visibles et ultraviolets qui les brisent. Les rayons X occupent les kiloélectronvolts. La physique nucléaire travaille en mégaélectronvolts, l’échelle des énergies de liaison et de la désintégration radioactive. La physique des particules emploie les gigaélectronvolts, où la masse au repos du proton vaut 0,938, et les téraélectronvolts au Grand collisionneur de hadrons, dont les protons portent 6,8 chacun.

La masse s’exprime dans la même unité par la relation masse-énergie. La masse au repos d’une particule se donne en électronvolts divisés par le carré de la vitesse de la lumière, et les physiciens omettent couramment le diviseur pour dire simplement que l’électron vaut 511 kiloélectronvolts. Le boson de Higgs vaut 125 gigaélectronvolts selon la même convention.

L’ingénierie des semi-conducteurs en dépend. La bande interdite qui détermine le comportement électrique et optique d’un matériau est une énergie en électronvolts : environ 1,1 pour le silicium, 3,4 pour le nitrure de gallium, et ce seul nombre décide si un composant est une cellule solaire, un transistor ou une diode électroluminescente bleue.

L’astronomie hérite de la convention pour les photons de haute énergie : les télescopes à rayons gamma rapportent donc leurs observations en gigaélectronvolts et téraélectronvolts plutôt qu’en longueurs d’onde.

Les accélérateurs de particules portent le nom des énergies qu’ils atteignent, et leurs noms suivent donc les préfixes. La machine de Cockcroft et Walton qui brisa un noyau pour la première fois en 1932 travaillait à quelques centaines de kiloélectronvolts ; le Bévatron des années cinquante atteignit le milliard et trouva l’antiproton ; et le Grand collisionneur de hadrons porte les protons à 6,8 téraélectronvolts chacun. Les rayons cosmiques remettent tout cela en perspective en arrivant avec des énergies allant jusqu’à 10 puissance vingt électronvolts, des dizaines de millions de fois plus que toute machine, même si une poignée seulement de telles particules frappe la Terre en un siècle sur un kilomètre carré.

Un électronvolt équivaut à environ 1,602 fois dix puissance moins dix-neuf joule, soit à peu près 3,83 fois dix puissance moins vingt calorie.

Informations sur le Mégajoule (MJ)

Le mégajoule est une unité d’énergie valant un million de joules. Son symbole est MJ. C’est l’échelle à laquelle l’énergie cesse d’être une grandeur de laboratoire pour devenir quelque chose aux conséquences physiques visibles.

Un véhicule en mouvement en est le repère le plus simple. Une voiture familiale de 1500 kilogrammes roulant à 100 kilomètres par heure porte environ 0,58 mégajoule d’énergie cinétique, et il faut bien que tout cela aille quelque part lors d’un choc. Les structures d’absorption se conçoivent précisément autour de ce chiffre, et c’est pourquoi les normes de sécurité automobile inscrivent l’énergie du choc plutôt que la vitesse.

Les explosifs se cotent également ici. Un bâton de dynamite libère à peu près un mégajoule, et un kilogramme de TNT environ 4,2. Comme l’équivalent TNT est défini et non mesuré, le mégajoule fait le pont entre les explosifs chimiques et les autres libérations d’énergie, ce qui permet de décrire l’impact d’une météorite ou un accident industriel à la même échelle qu’une charge de démolition.

L’apport énergétique quotidien d’une personne avoisine dix mégajoules, chiffre identique aux 2400 kilocalories vues de l’autre côté. Le travail physique est comparable : une journée de travail manuel au-dessus du métabolisme de repos coûte quelques mégajoules, et une longue étape cycliste peut-être quinze.

Les densités énergétiques des carburants se situent à cette échelle par unité de masse. L’essence contient environ 46 mégajoules par kilogramme, le bois quelque 16, et une batterie au lithium moderne environ 0,9. Cette dernière comparaison, un facteur cinquante, est le seul chiffre qui explique pourquoi l’avion électrique reste difficile alors que la voiture électrique ne l’est pas.

Les systèmes industriels et militaires emploient l’unité pour l’énergie stockée et délivrée. Les performances des canons électriques et des lanceurs électromagnétiques se citent en mégajoules à la bouche, le stockage par volant d’inertie en mégajoules, et de même l’énergie délivrée par un grand banc de condensateurs dans une expérience de fusion.

Comparer les techniques de stockage dans cette unité est instructif, car les écarts sont énormes. Un kilogramme d’essence renferme environ 46 mégajoules, un kilogramme de bois sec environ 16, et un kilogramme de batterie lithium-ion seulement 0,9 environ, une cinquantaine de fois moins que le carburant. Ce seul rapport explique l’essentiel de la difficulté technique de l’aviation électrique et une bonne part du poids d’une voiture électrique. En sens inverse, un kilogramme d’uranium 235 entièrement fissionné libère quelque 80 millions de mégajoules, et un kilogramme de matière intégralement converti en énergie en donnerait 90 milliards. L’unité couvre toute cette étendue en ne changeant de préfixe que quelques fois.

Un mégajoule équivaut à un million de joules, à environ 0,278 kilowattheure ou à environ 239 kilocalories.