Conversione da 4 Elettronvolt a Nanojoule

Informazioni sul Elettronvolt (eV)

L’elettronvolt è un’unità di energia pari al lavoro compiuto su un singolo elettrone che attraversa una differenza di potenziale di un volt. Il suo simbolo è eV. Dalla ridefinizione del SI del 2019 ha un valore esatto, 1,602176634 per dieci elevato a meno diciannove joule, perché la carica elementare è ora una costante definita.

Esiste perché il joule è disperatamente grande per il mondo atomico. Un singolo fotone visibile porta fra circa 1,6 e 3,3 elettronvolt, ed esprimerlo in joule richiede diciannove zeri iniziali. Lavorare in elettronvolt consente a un fisico di enunciare l’energia di un legame chimico, di una transizione atomica o di un urto subatomico come un numero fra uno e pochi, che è ciò che un’unità dovrebbe fare.

La scala organizza intere discipline. La chimica vive a pochi elettronvolt, l’energia dei legami e dei fotoni visibili e ultravioletti che li spezzano. I raggi X occupano i chiloelettronvolt. La fisica nucleare lavora in megaelettronvolt, la scala delle energie di legame e del decadimento radioattivo. La fisica delle particelle usa i gigaelettronvolt, dove la massa a riposo del protone è 0,938, e i teraelettronvolt al Grande collisore di adroni, i cui protoni portano 6,8 ciascuno.

La massa si indica nella stessa unità attraverso la relazione massa-energia. La massa a riposo di una particella si dà in elettronvolt divisi per il quadrato della velocità della luce, e i fisici sopprimono abitualmente il divisore dicendo semplicemente che l’elettrone è 511 chiloelettronvolt. Il bosone di Higgs è 125 gigaelettronvolt secondo la stessa convenzione.

L’ingegneria dei semiconduttori vi si appoggia. Il divario di banda che determina il comportamento elettrico e ottico di un materiale è un’energia in elettronvolt: circa 1,1 per il silicio, 3,4 per il nitruro di gallio, e questo solo numero decide se un dispositivo sia una cella solare, un transistore o un diodo a emissione di luce blu.

L’astronomia eredita la convenzione per i fotoni di alta energia, sicché i telescopi per raggi gamma riferiscono le osservazioni in gigaelettronvolt e teraelettronvolt anziché in lunghezze d’onda.

Gli acceleratori di particelle prendono nome dalle energie che raggiungono, ed è per questo che i loro nomi seguono i prefissi. La macchina di Cockcroft e Walton che per prima spezzò un nucleo nel 1932 lavorava a qualche centinaio di chiloelettronvolt; il Bevatrone degli anni cinquanta arrivò ai miliardi e trovò l’antiprotone; e il Grande Collisore di Adroni porta i protoni a 6,8 teraelettronvolt ciascuno. I raggi cosmici mettono tutto ciò in prospettiva arrivando con energie fino a 10 elevato a venti elettronvolt, decine di milioni di volte più di quanto ogni macchina possa produrre, benché solo una manciata di tali particelle colpisca la Terra in un secolo per chilometro quadrato.

Un elettronvolt equivale a circa 1,602 per dieci elevato a meno diciannove joule, ovvero all’incirca 3,83 per dieci elevato a meno venti calorie.

Informazioni sul Nanojoule (nJ)

Il nanojoule è un’unità di energia pari a un miliardesimo di joule, cioè 0,000000001 joule. Il suo simbolo è nJ. Segna il punto in cui la meccanica lascia il posto all’ottica e all’elettronica: troppo poco per muovere qualcosa che l’occhio veda, e tuttavia molto grande rispetto all’energia portata da una singola particella. Quasi ogni quantità scritta in nanojoule esce da uno strumento e non dall’esperienza quotidiana.

La luce dà l’immagine più netta della scala. Un fotone di luce verde porta circa 3,6 × 10⁻¹⁹ joule, sicché un nanojoule corrisponde a circa 2,8 miliardi di quei fotoni che arrivano insieme. Rispetto al calore è più grande ancora: l’energia termica media di una singola molecola a temperatura ambiente è di circa 4 × 10⁻²¹ joule, il che colloca il nanojoule circa 240 miliardi di volte più in alto. L’unità sta dunque molto sopra il mondo quantistico e molto sotto quello meccanico.

I laser impulsati sono il luogo in cui si guadagna il posto. L’oscillatore di un microscopio a due fotoni consegna impulsi di pochi nanojoule a ottanta milioni di impulsi al secondo, il che dà in media qualche centinaio di milliwatt di potenza di fascio. I laser in fibra, i tomografi a coerenza ottica e i telemetri a tempo di volo si specificano allo stesso modo, perché ciò che danneggia un campione o restituisce un’eco utilizzabile è l’energia di ciascun impulso, non la potenza media distesa sul secondo.

L’elettronica digitale si misura sul nanojoule dal basso. Una singola commutazione dentro un processore costa femtojoule e un accesso alla memoria pochi picojoule, sicché un nanojoule paga centinaia di letture o milioni di operazioni logiche. La progettazione per la raccolta di energia rovescia il quadro: una cella fotovoltaica da interni, un captatore piezoelettrico o un’antenna a radiofrequenza possono raccogliere solo pochi nanojoule al secondo, e tutto il mestiere del consumo minimo consiste nel far stare lavoro utile dentro quel bilancio.

Gli oggetti comuni raggiungono questa scala soltanto se sono piccolissimi o appena mossi. Un granello di sabbia da un milligrammo che cade di un decimo di millimetro libera all’incirca un nanojoule. Sollevare un singolo capello della propria larghezza costa meno di così. Nulla in una cucina o in un’officina viene mai contato in nanojoule, ed è proprio per questo che l’unità appartiene ai laboratori, ai cataloghi di laser e alle schede tecniche, non alle bollette né alle etichette.

Nella scrittura il prefisso compete con la notazione scientifica. Gli articoli di fisica stampano quasi sempre 10⁻⁹ J e proseguono, mentre i costruttori di strumenti scrivono nJ perché sta in una riga di specifica e si legge senza calcoli. Entrambe le forme dicono la stessa quantità, e la scelta rivela più sul lettore previsto che sulla misura. Quando una tabella mescola energie di impulso su più decadi, le forme con prefisso si confrontano di solito meglio a colpo d’occhio.

Un nanojoule equivale a 0,000000001 joule, a circa 6,24 × 10⁹ elettronvolt o a circa 2,78 × 10⁻¹³ wattora.