| Elettronvolt (eV) | Calorie (cal) |
|---|---|
| 1 Elettronvolt | 3.82929405832 × 10-20 cal |
| 2 Elettronvolt | 7.65858811663 × 10-20 cal |
| 3 Elettronvolt | 1.1487882175 × 10-19 cal |
| 4 Elettronvolt | 1.53171762333 × 10-19 cal |
| 5 Elettronvolt | 1.91464702916 × 10-19 cal |
| 10 Elettronvolt | 3.82929405832 × 10-19 cal |
| 20 Elettronvolt | 7.65858811663 × 10-19 cal |
| 25 Elettronvolt | 9.57323514579 × 10-19 cal |
| 50 Elettronvolt | 1.91464702916 × 10-18 cal |
| 100 Elettronvolt | 3.82929405832 × 10-18 cal |
| Riferimento | Elettronvolt (eV) | Calorie (cal) |
|---|---|---|
| One food calorie (kcal) | 2.61145 × 1022 eV | 1000 cal |
| An AA alkaline battery | 6.24151 × 1022 eV | 2390.06 cal |
| Daily adult food intake | 5.22289 × 1025 eV | 2000000 cal |
| One unit on an electricity bill | 2.24694 × 1025 eV | 860421 cal |
| A lightning strike | 6.24151 × 1027 eV | 239005736 cal |
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.
La caloria è un’unità di energia pari a 4,184 joule. Il suo simbolo è cal. Fu inizialmente definita come il calore necessario ad alzare di un grado Celsius la temperatura di un grammo d’acqua, e non è un’unità SI, benché sopravviva quasi ovunque si parli di alimenti e di calore.
La definizione originaria era scomoda perché la risposta dipende dalla temperatura di partenza. L’acqua richiede un poco più di calore per passare da 14,5 a 15,5 gradi che da 19,5 a 20,5, sicché esistettero più calorie in concorrenza: la caloria a quindici gradi, la caloria media e la caloria delle tavole internazionali del vapore, fra le altre. La caloria termochimica oggi usata è definita semplicemente come esattamente 4,184 joule, recidendo del tutto il legame con l’acqua e ponendo fine all’ambiguità.
La confusione maggiore riguarda la scala. La caloria stampata sulle confezioni alimentari negli Stati Uniti non è affatto questa unità ma la chilocaloria, mille volte più grande, talvolta distinta da una C maiuscola. Un biscotto dichiarato da sessanta calorie ne contiene in realtà sessantamila dell’unità qui descritta. La consuetudine è radicata e difficilmente cambierà, sicché le cifre nutrizionali e quelle fisiche vanno lette in registri diversi.
La chimica conservò la caloria a lungo dopo che la fisica era andata oltre. Le entalpie di reazione, le energie di legame e i calori di formazione furono tabulati in chilocalorie per mole per gran parte del Novecento, e la letteratura più antica e alcuni manuali americani attuali lo fanno ancora. Il valore SI equivalente in chilojoule per mole è maggiore di un fattore 4,184, e sbagliare su quale si intenda produce errori dall’aria plausibile.
La scienza della nutrizione la usa perché il bilancio energetico umano si trova per caso su una scala comoda in chilocalorie, con un fabbisogno giornaliero attorno a duemila. In joule la stessa cifra sfiora gli otto milioni e mezzo, il che è esatto ma più difficile da maneggiare a mente.
In alcuni paesi la climatizzazione e la refrigerazione classificano ancora la resa in chilocalorie all’ora, e i poteri calorifici dei combustibili compaiono in calorie per grammo nelle vecchie tavole tecniche.
Una caloria equivale esattamente a 4,184 joule, a 0,001 chilocalorie o a circa 0,00116 wattora.