ミリジュールから電子ボルトへの換算

ミリジュール（mJ）について

ミリジュール は、1 ジュール の 1000 分の 1、すなわち 0.001 ジュール にあたるエネルギーの単位です。記号は mJ です。ジュール から下りていくとき、人の体が起きていることを感じ取れなくなる最初の単位であり、そのために、わずかなエネルギーを意図して正確に放たねばならない場面のいたるところに現れます。

日常の力学はここに難なく届きます。1 グラム の 紙ばさみ を 1 メートル の高さから落とすと、およそ 10 ミリジュール で床に着きます。鍵盤を 1 つ押すのに 2、3 ミリジュール、紙を 1 枚めくるのはそれよりずっと少なく、乾いた日に 取っ手 から飛ぶ火花は 1 から 10 ミリジュール を運びます。この最後の数値がおおよそ感覚の敷居にあたり、だからこそ ミリジュール は、人が言われなくても日ごろ気づく最小のエネルギーなのです。

防爆はここに書かれています。空気中の メタン の最小着火エネルギーは およそ 0.28 ミリジュール、プロパン は およそ 0.25 ミリジュール、いっぽう小麦粉や砂糖や金属粉の浮遊する雲は数十 ミリジュール を要します。危険場所の規格は、回路が蓄えてよいエネルギーをこれらの数値に照らして定めます。本質安全という仕組み全体が、電圧計の表示ではなく、この桁の量のうえに立っているのです。

医療用と産業用の レーザー は、1 パルス あたりの ミリジュール で格付けされます。入れ墨の除去や結石の破砕に使う Q スイッチ レーザー は、数 ナノ秒 のあいだに数百 ミリジュール を送り出します。その極端な短さこそが、ささやかなエネルギーを メガワット 級の 尖頭 出力に変えるのです。眼科の後嚢切開は数 ミリジュール を使い、皮膚科の機器も同じ単位で加減されます。組織への効きめを決めるのは 1 回の施術ではなく 1 パルス あたりの量だからです。

小さな電気量と音の量もここに落ち着きます。1 ミリワット の レーザーポインター は毎秒 1 ミリジュール を放ちます。大きな声で話す人は毎秒およそ 1 ミリジュール の音を放射し、火災警報器の鳴動部はその数倍を出します。1 マイクロファラド の コンデンサー を 50 ボルト まで充電すると 1.25 ミリジュール を蓄えます。閃光回路や点火装置や カメラ の シャッター に印刷されるのは、この手の数値です。

その上では ジュール が引き継ぎ、効果は目に見えて機械的になります。その下では マイクロジュール が引き継ぎ、効果は目に見えなくなります。つまり ミリジュール は知覚の実際的な境目であり、安全上の限度、感度の敷居、線量の指定が、さらに下へ行かず小数第 3 位で止まることが多いのは、そのためです。

1 ミリジュール は、0.001 ジュール、およそ 0.000239 カロリー、およそ 0.000000278 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。