キロジュールから電子ボルトへの換算

キロジュール（kJ）について

キロジュールは、1000 ジュール にあたるエネルギーの単位です。記号は kJ です。北米を除く世界の大半で栄養表示の実務単位となっており、化学反応、機械的な衝突、そして少量の蓄えられたエネルギーにとって自然な尺度でもあります。

多くの人がこれに出会うのは食品の表示です。欧州連合の規則は、エネルギーを キロジュール で表示し、キロカロリー を併記するよう求めています。オーストラリアとニュージーランドは キロジュール だけを使います。食パン 1 枚はおよそ 300 キロジュール、バナナ 1 本はおよそ 400、1 日の必要量はおよそ 8000 から 1 万 500 です。数値は キロカロリー での相当値より 4.184 倍大きく、そのため並べて見れば二つの尺度を取り違えることはまずありません。

化学はこの単位を丸ごと採り入れました。反応エンタルピー、結合解離エネルギー、格子エネルギー、活性化障壁は、いずれも 1 モル あたりの キロジュール で表にまとめられ、数値は扱いやすい範囲に収まります。典型的な単結合を切るには 1 モル あたり 150 から 500 キロジュール が要り、メタン の燃焼は 890 を放出します。

機械的な衝突も同じ尺度にあります。時速 50 キロメートル の自動車は 1 トン あたりおよそ 150 キロジュール の運動エネルギーをもち、ライフル弾は数 キロジュール、ボクサー の一撃はおよそ 1 キロジュール です。保護具の規格は、ヘルメット や防護柵が吸収すべきエネルギーを キロジュール で定めており、それによって設計が違っても等級を比べられるようになります。

この単位は、キロワット時 では大きすぎる機器に蓄えられたエネルギーも表します。カメラ の閃光装置の コンデンサー は数 キロジュール を蓄え、除細動器の放電はおよそ 0.2、圧縮空気工具の 1 動作は数 キロジュール を使います。生理学は運動のエネルギー消費に用いており、階段を 1 階分のぼると人はおよそ 20 キロジュール を費やします。

公共の場での主な競争相手は キロカロリー で、アメリカと、ほとんどどこでも日常の話し言葉のなかに残っています。両方が併記される場面では、換算係数なしに物理学の残りとつながるのは キロジュール のほうです。

材料 の 試験 は、この単位を 独特 の やり方 で使います。シャルピー の 試験 は、切り欠き を入れた 棒 に 重り の 付いた 振り子 を落とし、折る のに 吸われた エネルギー を報せます。室温 の 鋼 なら ふつう 数十 ジュール ですが、温度 が下がると 急 に減ります。その エネルギー を 温度 に対して 描けば、粘り強い 状態 から もろい 状態 への 移り目 が現れます。金属 が 曲がる のを やめ、砕ける ように なる 点 です。第二 次 世界 大戦 の 冷たい 大西洋 で 真っ二つ に折れた リバティ 船 の 調査 は、まさに この 測定 に よっていました。今日 の 鋼 の 仕様 も、定めた 温度 での 最小 の 吸収 の エネルギー を いまだに 記します。

1 キロジュール は、1000 ジュール、およそ 239 カロリー、およそ 0.278 ワット時 に等しくなります。

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。