Conversion de Joules en Électronvolts

Informations sur le Joule (J)

Le joule est l’unité SI d’énergie, de travail et de chaleur. Son symbole est J. Un joule est le travail accompli lorsqu’une force d’un newton déplace son point d’application d’un mètre, et tout autant l’énergie dissipée quand un watt de puissance s’écoule pendant une seconde.

Cette équivalence est la raison d’être de l’unité. Avant le XIXe siècle, la chaleur et le travail mécanique passaient pour des choses différentes mesurées en unités différentes, la chaleur en calories et le travail en pieds-livres. James Prescott Joule consacra des années à montrer qu’une quantité fixe de travail mécanique produit toujours la même quantité de chaleur, notamment en agitant de l’eau avec une roue à palettes entraînée par des poids en chute et en mesurant l’élévation de température. Établir ce taux de change, l’équivalent mécanique de la chaleur, a réuni la mécanique et la thermodynamique en une seule discipline.

Parce qu’il se définit par les unités de base, le joule relie tout. C’est un newton mètre, un watt seconde, un coulomb volt et un kilogramme mètre carré par seconde carrée, et chacune de ces formes s’emploie couramment selon la branche de la physique qui parle. Les énergies électrique, mécanique, thermique et chimique se comptent toutes dans la même unité, ce qui rend possible la comptabilité énergétique d’un système entier.

L’échelle est utilement à taille humaine. Soulever une pomme d’un mètre coûte environ un joule. Un battement de cœur en consomme à peu près un. Laisser tomber un manuel d’un bureau en libère une dizaine. En dessous, le joule devient malcommode et les unités préfixées prennent le relais ; au-dessus, le kilojoule et le mégajoule font de même.

L’énergie des aliments se mesure proprement en joules, et les étiquettes en Australie, en Nouvelle-Zélande et dans l’Union européenne indiquent des kilojoules à côté des calories ou à leur place. La calorie survit dans l’usage courant surtout par habitude, et la conversion, une calorie valant 4,184 joules, est fixée par définition et non mesurée.

La nutrition, la balistique, la capacité des batteries, la sortie des lasers, la puissance des explosifs et l’énergie libérée par un séisme s’expriment toutes en joules ou en ses multiples, ce qui permet de comparer directement des grandeurs venues de domaines entièrement différents.

Un joule équivaut à un newton mètre, à un watt seconde, à environ 0,239 calorie ou à environ 0,000278 wattheure.

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.