¿Por qué usamos el electrón voltio?
¿Por qué se convirtió en el electrón voltio y no, digamos, simplemente un prefijo del julio, como el nanojulio?
¿Representa el electrón voltio algo particular en términos matemáticos? Supongo que sí, y si es así, ¿qué es exactamente lo que representa el electrón voltio en términos de la masa de una partícula, ya que lo he visto utilizado tanto para la energía de un fotón como para la masa de partículas subatómicas?
El electrón-voltio es una unidad conveniente de energía al considerar electrones moviéndose entre puntos a diferentes potenciales. La conveniencia se deriva de tener valores numéricos que son alrededor o mayores que uno, $1 \rm eV = 1.6 \times 10^{-19} \rm J$. Se utilizó por primera vez en la década de 1930.
Por lo tanto, tal vez se tenga una mejor "sensación" de la diferencia entre 1 y 100 eV que entre $1.6 \times 10^{-19} \rm J$ y $1.6 \times 10^{-17} \rm J$ y el valor en electron-voltios es más fácil de escribir.
Los niveles de energía de los electrones se citan convenientemente en electron-voltios y luego los niveles de energía nuclear en MeV muestran una clara diferencia en términos de escala.
Luego, el uso de eV/c² con el prefijo apropiado como unidad de masa también se vuelve conveniente; por ejemplo, la masa del electrón como 500 keV/c² y la del protón como 1 GeV/c².
No es una unidad del SI, pero se retiene porque, además de ser conveniente, ha estado y sigue estando en uso generalizado en la comunidad científica.
Esta es simplemente la misma argumentación de por qué utilizamos millas por galón y millas por hora en EE. UU./Reino Unido: la convención y la familiaridad generan conveniencia e intuición. Pero no creo que debamos cometer el error de pensar que es una cualidad de la unidad: es una cualidad de las personas. Recuerdo que una vez que realmente entendí que un átomo ~= angstrom = 0.1nm, todas las escalas relativas cayeron en su lugar, el diámetro de células en átomos, el ancho de un alambre en un CI.
Abordando solo por qué se usa/es útil en la ciencia hoy en día, no por qué o cómo surgió
Las otras respuestas parecen venir desde el punto de vista de un físico de partículas; para un químico, el electrón-voltio también es conveniente:
Por favor ten en cuenta que estas son rangos "de orden de magnitud".
+1 Me gusta esta respuesta, creo que es útil tener un punto de vista químico aquí :-) (PD: Escribí mi respuesta desde el punto de vista de la física de partículas porque el usuario utilizó la etiqueta particle-physics, por lo que asumí que estaban principalmente interesados en esa rama, ¡pero tu respuesta también es útil, al menos para mí!)
-1 Usted hace que parezca que estas son cosas de pura casualidad. Cada uno de estos procesos son procesos Físicos. Los mismos con los que lidian los físicos. La razón por la que todos estos procesos se encuentran en el rango de eV, es porque todos implican electrones y definimos el Voltio a partir de un proceso químico.
@Aron No, lo siento. Quizás sea algo que estás proyectando en la respuesta. Los electronvoltios son convenientes, eso es todo.
"Históricamente, el electrónvoltio se ideó como una unidad estándar de medida debido a su utilidad en las ciencias de aceleradores de partículas electroestáticas, ya que una partícula con carga $q$ tiene una energía $E = qV$ después de pasar por el potencial $V$; si $q$ se expresa en unidades enteras de la carga elemental y la polarización terminal en voltios, se obtiene una energía en eV."
fuente
Además, tendrás que admitir que las energías escritas como $x \cdot 10^{-19} \textrm{J}$ no son los números más útiles con los que trabajar. Utilizar una cantidad estándar arbitraria (por ejemplo, el ángstrom) como referencia para obtener números que realmente signifiquen algo para nosotros y que faciliten nuestra discusión es una costumbre bastante extendida en la física.
Creo que es realmente porque las personas comenzaron a medir masas de partículas en aceleradores en los que inicialmente, la mayoría de la aceleración se realizaba a través de campos eléctricos, lo que hizo que esta fuera una escala bastante "natural". Dar masas en energías se debe principalmente, supongo, a Einstein y al hecho de que las masas nuevamente se convertirían en números bastante desagradables, y usar un segundo estándar arbitrario (por ejemplo, masa del protón) probablemente parecía menos atractivo que poder hablar de todo con un "estándar personalizado" único.
¿Alguien realmente escribe 10^-19J? (Sí, lo hacen - ¿por qué?) ¿Por qué no usar prefijos, como todo el mundo? 1aJ, 100zJ ... ¿Aparte de la convención, por supuesto?
Es solo una convención, y no precisamente conveniente. En la física de partículas casi nunca usamos $\mathrm{eV}$; es mucho más común usar $\mathrm{MeV}$, $\mathrm {GeV}$ o incluso $\mathrm{TeV}$. La escala del electrónvoltio no es una escala natural para la física de partículas: las energías típicas son, al menos, un millón de veces más altas que eso (excepto para los neutrinos). Lo usamos por razones históricas, pero supongo que estarás de acuerdo en que es más conveniente que los Julios: un electrónvoltio está algo más cerca de la masa de un protón que un Julio ($m_p\sim 10^{-10}\ \mathrm{J}\sim10^9\ \mathrm{eV}$).
Tal vez debería añadir que en la física del estado sólido, los electronvoltios a veces son una escala natural.
@BenjaminRogers-Newsome de nada, por supuesto. Una escala natural significa que utilizas unidades "que tienen sentido", por así decirlo. Por ejemplo, no tiene sentido medir la masa de una persona utilizando toneladas, porque la masa suele estar en la escala de kg. Tampoco tiene sentido usar microgramos por la misma razón: estás utilizando unidades que están muy lejos de la escala que deseas medir.
Creo que la mayoría de esto falta al punto. Estoy bastante seguro de que la pregunta no es "¿Por qué la gente usa eV en lugar de MeV, GeV, etc.?" sino "¿Por qué la gente usa el electrón-voltio como unidad base en lugar del julio?"
@DavidRicherby sí, y mi respuesta a esa pregunta es: "en la física de partículas, por razones históricas. En la física de partículas, los electronvoltios no son útiles sino simplemente habituales". En otras ramas de la física, los electronvoltios tienen una razón, pero en la física de partículas no: no son realmente convenientes. (El OP preguntó acerca de eV en el contexto de la física de partículas, así que no creo que esté perdiendo el punto...)
Originalmente, el eV podría haber sido la unidad correcta para la energía de electrones utilizada por personas que estaban realizando experimentos con tubos catódicos. En esos experimentos, un cátodo emitía electrones si existía un sesgo cátodo-ánodo. Los múltiplos de eV son la unidad correcta si haces física de aceleradores. MeV, GeV, TeV son elegidos porque también están más cerca del orden de magnitud de las energías de electrones en esos aceleradores. Entonces, como regla general, se elige la unidad más cercana al orden de magnitud de la energía en el tipo de fenómeno físico de interés.
Por ejemplo, si haces transporte de electrones en nanoestructuras (como nanotubos de carbono) es posible que quieras usar meV para energías, nm para distancias y fs para el tiempo. Si estás interesado en la estructura de bandas de los sólidos, la mejor unidad es eV, ya que las brechas de banda en los aislantes suelen ser de unos pocos eV.
Por otro lado, si haces ingeniería y trabajas principalmente con objetos macroscópicos, trabajarás con unidades del SI.
Creo que esto se está perdiendo el punto. Estoy bastante seguro de que la pregunta no es "¿Por qué la gente usa el eV en lugar del MeV, GeV, etc.?", sino "¿Por qué la gente usa el electronvoltio como unidad base en lugar del julio?"
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Por la misma razón por la que usamos UA en vez de metros en astronomía.
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Es simplemente conveniente: trabajo con fluoróforos y fotónica, y un electrón voltio es un tamaño práctico aquí: aproximadamente la energía de un fotón óptico (más precisamente, uno de longitud de onda de 1.24um). Las energías de enlace en química también son del orden de los electronvoltios.
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Por la misma razón usamos 1 año luz en lugar de 9,460,730,472,580,800 metros
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Pregunta de seguimiento: ¿por qué utilizamos TeV en lugar de µJ? 13 TeV es solo cerca de 2 µJ
:P1 votos
No compro el argumento del orden de magnitud. Los prefijos SI existen por una razón; 1 eV = 0.16 aJ = 160 zJ, 100 eV = 16 aJ. Decir "attojulio" es tan breve o más que "electrón-voltio". La Nube de Oort está a ~15 PM de distancia, la próxima estrella a ~50 PM. La Vía Láctea tiene un diámetro de ~1 ZM. El universo observable tiene un diámetro de ~865 YM, un número no impracticablemente grande para hablar. Todo se reduce a lo que una comunidad está acostumbrada, por eso tenemos números de onda en $cm^{-1}$, longitudes en Å, etc.
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Creo que este es uno de esos casos en los que la humanidad de la ciencia se pone de manifiesto. Los humanos somos excelentes conceptualizando números pequeños: del 1 al 10 está especialmente arraigado en nosotros debido a nuestros dedos, por ejemplo. Podemos manipular cantidades arbitrariamente grandes o pequeñas intelectualmente, pero para conceptualizarlas rápidamente es más fácil escalarlas a algo en lo que podamos agarrarnos. Por eso existen unidades como ángstroms, eVs y (en una época anterior) unidades agregadas como yardas -> millas -> leguas, pintas -> galones, etc. ¡Es un experimento mental divertido imaginar cómo lo haría una especie de alienígenas de 16 dedos o 3 dedos!
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Lo que me molesta de la eV es que no se escribe como $e$V. Entonces, simplemente sería cuestión de álgebra decir $$1 e \text{V} = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C V} = 1.60 \times 10^{-19}\ \text J$$.
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La respuesta es simple. eV es una unidad natural. No éramos lo suficientemente avanzados al desarrollar el SI para elegir la unidad natural más básica. Qué lástima, el SI tal como está es una tradición establecida ahora. Eso es historia.