100 電子ボルトからジュールへの換算

電子ボルト（eV）について

電子ボルトは、1 ボルト の電位差を通り抜ける電子 1 個になされる仕事にあたるエネルギーの単位です。記号は eV です。2019 年の SI の再定義以降、その値は厳密に 1.602176634 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール と定まりました。電気素量そのものが、いまや定義された定数だからです。

この単位が存在するのは、原子の世界にとって ジュール が絶望的に大きすぎるからです。可視光の光子 1 個が担うのはおよそ 1.6 から 3.3 電子ボルト であり、これを ジュール で書けば頭に 19 個の零が並びます。電子ボルト で扱えば、化学結合のエネルギーも、原子の遷移も、素粒子の衝突も、1 から数までの数値で言い表せます。単位に求められているのは、まさにこれです。

この尺度は、いくつもの分野をまるごと整理します。化学は数 電子ボルト に住み、それは結合のエネルギーであり、結合を断つ可視光や紫外線の光子のエネルギーです。エックス線は キロ電子ボルト を占めます。原子核物理は メガ電子ボルト で働き、それは結合エネルギーと放射性崩壊の尺度です。素粒子物理は ギガ電子ボルト を用い、そこでは陽子の静止質量が 0.938 です。大型ハドロン衝突型加速器では テラ電子ボルト を使い、その陽子は 1 個あたり 6.8 を担います。

質量も、質量とエネルギーの関係を通じて同じ単位で示されます。粒子の静止質量は、電子ボルト を光速の 2 乗で割った形で与えられますが、物理学者はふつうその除数を省き、電子は 511 キロ電子ボルト だと言ってしまいます。同じ約束のもとで、ヒッグス粒子は 125 ギガ電子ボルト です。

半導体の工学はこの単位に依存しています。ある物質の電気的、光学的なふるまいを決める バンドギャップ は、電子ボルト で表したエネルギーです。ケイ素はおよそ 1.1、窒化ガリウムは 3.4 であり、このひとつの数値が、その素子が太陽電池になるのか、トランジスタになるのか、青色発光ダイオードになるのかを決めます。

天文学は、高いエネルギーの光子についてこの約束を受け継いでいます。そのためガンマ線望遠鏡は、観測結果を波長ではなく ギガ電子ボルト や テラ電子ボルト で報告します。

粒子 の 加速 器 は、達する エネルギー に ちなんで 名づけられ、その 名 は 接頭 語 を たどります。1932 年 に はじめて 原子 核 を 割った コッククロフト と ウォルトン の 装置 は 数百 キロ 電子 ボルト で働きました。1950 年代 の ベバトロン は 十億 の 桁 に達し、反 陽子 を見つけました。そして 大型 ハドロン 衝突 型 の 加速 器 は 陽子 を それぞれ 6.8 テラ 電子 ボルト まで もっていきます。宇宙 線 は これ すべて を 相対 化 します。10 の 二十 乗 電子 ボルト まで の エネルギー で到来し、どの 装置 が作れる 量 の 数千万 倍 だからです。もっとも、その ような 粒子 は 一 平方キロメートル あたり 一 世紀 に ほんの わずか しか 地球 に届きません。

1 電子ボルト は、およそ 1.602 かける 10 の マイナス 19 乗 ジュール、およそ 3.83 かける 10 の マイナス 20 乗 カロリー に等しくなります。

ジュール（J）について

ジュールは、SI におけるエネルギー、仕事、熱の単位です。記号は J です。1 ジュール は、1 ニュートン の力がその作用点を 1 メートル 動かすときになされる仕事であり、同時に、1 ワット の仕事率が 1 秒間流れるときに費やされるエネルギーでもあります。

この同等性こそが、この単位の存在理由です。19 世紀より前、熱と力学的な仕事は別のものとされ、別の単位で測られていました。熱は カロリー、仕事は フィートポンド です。ジェームズ・プレスコット・ジュールは、一定量の力学的な仕事がつねに同じ量の熱を生むことを、何年もかけて示しました。もっともよく知られているのは、落下する重りで回した羽根車で水をかき混ぜ、温度の上昇を測った実験です。この交換比率、すなわち熱の仕事当量を定めたことが、力学と熱力学をひとつの学問へ結び合わせました。

基本単位を通じて定義されているので、ジュール はあらゆるものをつなぎます。ニュートンメートル であり、ワット秒 であり、クーロンボルト であり、キログラム 平方メートル 毎秒毎秒 でもあります。物理学のどの分野が語っているかに応じて、これらの形のどれもが実際に使われます。電気の、力学の、熱の、化学のエネルギーがすべて同じ単位で数えられ、だからこそ系全体にわたるエネルギーの勘定が成り立ちます。

この尺度は、役に立つ意味で人の大きさに合っています。りんごを 1 メートル 持ち上げるのにおよそ 1 ジュール。心臓の 1 拍がおよそ 1 ジュール。机から教科書を落とせばおよそ 10 ジュール が解放されます。それより下では ジュール は扱いにくくなり、接頭語の付いた単位が引き継ぎます。上では キロジュール と メガジュール が同じ役目を果たします。

食品のエネルギーは本来 ジュール で測られ、オーストラリア、ニュージーランド、欧州連合の表示は、カロリー と並べて、あるいはその代わりに キロジュール を示します。一般の用法で カロリー が生き残っているのはおもに習慣によるもので、1 カロリー が 4.184 ジュール という換算は、測定されたものではなく定義によって定められています。

栄養、弾道学、電池の容量、レーザーの出力、爆薬の威力、そして地震が解き放つエネルギーは、いずれも ジュール かその倍量単位で示されます。まったく異なる分野から来た量を、そのまま比べられるようになるのです。

1 ジュール は、1 ニュートンメートル、1 ワット秒、およそ 0.239 カロリー、およそ 0.000278 ワット時 に等しくなります。