Omvandling från Elektronvolt till Nanojoule

Information om Elektronvolt (eV)

Elektronvolten är en energienhet som motsvarar det arbete som uträttas på en enda elektron då den passerar en potentialskillnad på en volt. Beteckningen är eV. Sedan SI-omdefinieringen 2019 har den ett exakt värde, 1,602176634 gånger tio upphöjt till minus nitton joule, eftersom elementarladdningen numera är en definierad konstant.

Den finns därför att joulen är hopplöst stor för atomernas värld. En enda synlig foton bär mellan ungefär 1,6 och 3,3 elektronvolt, och att uttrycka det i joule kräver nitton inledande nollor. Att räkna i elektronvolt låter en fysiker ange energin hos en kemisk bindning, en atomär övergång eller en subatomär kollision som ett tal mellan ett och några få, vilket är vad en enhet ska göra.

Skalan ordnar hela discipliner. Kemin bor vid några elektronvolt, energin hos bindningar och hos de synliga och ultravioletta fotoner som bryter dem. Röntgenstrålning upptar kiloelektronvolt. Kärnfysiken arbetar i megaelektronvolt, bindningsenergiernas och det radioaktiva sönderfallets skala. Partikelfysiken använder gigaelektronvolt, där protonens vilomassa är 0,938, och teraelektronvolt vid den stora hadronkollideraren, vars protoner bär 6,8 var.

Massa anges i samma enhet via massa-energisambandet. En partikels vilomassa ges i elektronvolt dividerat med ljushastigheten i kvadrat, och fysiker utelämnar rutinmässigt nämnaren och säger helt enkelt att elektronen är 511 kiloelektronvolt. Higgsbosonen är 125 gigaelektronvolt enligt samma konvention.

Halvledartekniken hänger på den. Det bandgap som avgör hur ett material beter sig elektriskt och optiskt är en energi i elektronvolt: omkring 1,1 för kisel, 3,4 för galliumnitrid, och detta enda tal avgör om en komponent blir en solcell, en transistor eller en blå lysdiod.

Astronomin ärver konventionen för högenergetiska fotoner, så gammateleskop rapporterar sina observationer i gigaelektronvolt och teraelektronvolt i stället för i våglängder.

Partikelacceleratorer bär namn efter de energier de når, vilket är varför deras namn följer prefixen. Cockcroft och Waltons maskin, som först klöv en atomkärna 1932, arbetade vid några hundra kiloelektronvolt; Bevatronen på femtiotalet nådde miljarder och fann antiprotonen; och den stora hadronkollideraren för protoner till 6,8 teraelektronvolt vardera. Den kosmiska strålningen sätter allt detta i perspektiv genom att anlända med energier upp till 10 upphöjt till tjugo elektronvolt, tiotals miljoner gånger mer än någon maskin kan alstra, om än bara en handfull sådana partiklar träffar Jorden på ett sekel per kvadratkilometer.

En elektronvolt motsvarar ungefär 1,602 gånger tio upphöjt till minus nitton joule, eller ungefär 3,83 gånger tio upphöjt till minus tjugo kalorier.

Information om Nanojoule (nJ)

Nanojoulen är en energienhet som motsvarar en miljarddels joule, alltså 0,000000001 joule. Beteckningen är nJ. Den markerar punkten där mekaniken lämnar plats åt optiken och elektroniken: alldeles för lite för att flytta något ögat kan se, och ändå mycket stort jämfört med energin hos en enda partikel. Nästan varje storhet som skrivs i nanojoule kommer från ett instrument och inte från vardagen.

Ljuset ger den tydligaste bilden av skalan. En foton grönt ljus bär omkring 3,6 × 10⁻¹⁹ joule, så en nanojoule motsvarar ungefär 2,8 miljarder sådana fotoner som anländer tillsammans. Mot värmen är den större ändå: den genomsnittliga värmeenergin hos en enda molekyl vid rumstemperatur är omkring 4 × 10⁻²¹ joule, vilket placerar nanojoulen cirka 240 miljarder gånger högre. Enheten ligger alltså långt över kvantvärlden och långt under den mekaniska.

Pulsade lasrar är där den gör nytta. Oscillatorn i ett tvåfotonmikroskop levererar pulser på några nanojoule vid åttio miljoner pulser i sekunden, vilket i medeltal blir några hundra milliwatt stråleffekt. Fiberlasrar, optiska koherenstomografer och avståndsmätare med flygtid anges på samma sätt, eftersom det som skadar ett prov eller ger ett användbart eko är energin i varje puls, inte medeleffekten utspridd över sekunden.

Digital elektronik mäts mot nanojoulen underifrån. En enda omkoppling inne i en processor kostar femtojoule och en minnesåtkomst några pikojoule, så en nanojoule betalar hundratals läsningar eller miljontals logiska operationer. Konstruktion för energiskörd vänder på bilden: en solcell för inomhusbruk, en piezoelektrisk givare eller en radioantenn kan samla in bara några nanojoule i sekunden, och hela hantverket med extremt låg förbrukning består i att få in nyttigt arbete i den budgeten.

Vanliga föremål når skalan bara när de är mycket små eller knappt rörs. Ett sandkorn på ett milligram som faller en tiondels millimeter frigör ungefär en nanojoule. Att lyfta ett enda hårstrå sin egen bredd kostar mindre än så. Ingenting i ett kök eller en verkstad räknas någonsin i nanojoule, och just därför hör enheten hemma i laboratorier, laserkataloger och datablad, inte på fakturor och etiketter.

I skrift tävlar prefixet med potensskrivningen. Fysikartiklar trycker oftast 10⁻⁹ J och går vidare, medan instrumenttillverkare skriver nJ eftersom det får plats på en specifikationsrad och läses utan räkning. Båda formerna säger samma storhet, och valet säger mer om den tänkta läsaren än om mätningen. När en tabell blandar pulsenergier över flera dekader är prefixformerna i regel lättare att jämföra med en blick.

En nanojoule motsvarar 0,000000001 joule, ungefär 6,24 × 10⁹ elektronvolt eller cirka 2,78 × 10⁻¹³ wattimmar.