Électron-volt

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En physique et en chimie, l'électron-volt ou électronvolt[1] (symbole eV) est une unité de mesure d'énergie.

Définition et usages[modifier | modifier le code]

Sa valeur est définie comme étant l'énergie cinétique acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt : 1 eV = (e) × (V), où e désigne la valeur absolue de la charge électrique de l'électron (ou charge élémentaire). Un électron-volt est égal à environ :

1 eV = 1,602 176 565(35)×10-19 joule (J)[2].

C'est une unité hors système international d'unités (SI) dont la valeur est obtenue expérimentalement.

où :

, symbole du joule
, symbole du coulomb
, constante de Planck en joules-secondes
, constante de structure fine (sans dimension)
, perméabilité magnétique du vide en henry par mètre.
, vitesse de la lumière dans le vide en mètres par seconde.

On utilise l'électron-volt notamment en physique des particules pour exprimer les niveaux d'énergie rencontrés dans les accélérateurs de particules et la fusion thermonucléaire, en physique des semi-conducteurs pour exprimer le gap de ceux-ci ou en physique des plasmas :

Multiples usuels :

  • 1 meV = 10−3 eV = 1,602 177×10-22 J
  • 1 keV = 103 eV = 1,602 177×10-16 J
  • 1 MeV = 106 eV = 1,602 177×10-13 J
  • 1 GeV = 109 eV = 1,602 177×10-10 J
  • 1 TeV = 1012 eV = 1,602 177×10-7 J

Autres multiples :

  • 1 PeV = 1015 eV = 1,602 177×10-4 J
  • 1 EeV = 1018 eV = 0,160 217 7 J
  • 1 ZeV = 1021 eV = 160,217 7 J
  • 1 YeV = 1024 eV = 1,602 177×105 J = 0,044 504 9 kWh

Dans certains documents relativement anciens, on peut voir la notation « BeV », pour billion electronvolt (« milliard d'électron-volts ») : le BeV équivaut au GeV (gigaélectron-volt).

En chimie, certaines mesures d'énergie spécifiques, en particulier le potentiel électrochimique, le potentiel d'extraction des éléments, l'énergie d'ionisation des atomes gazeux ou autres molécules en atomistique, l'énergie thermique des molécules, sont assez souvent exprimées en eV[3].

1 eV = 96,485 kilojoule par mole ou 23,06 kilocalorie par mole

Substitution d'autres unités par l'électron-volt[modifier | modifier le code]

Unité de masse[modifier | modifier le code]

D'après la relation E = m·c2 de la relativité restreinte, on déduit :

Par exemple,

la masse de l'électron est de 511 keV/c2, celle du proton de 938 MeV/c2 et celle du neutron est de 940 MeV/c2.
  • Pour les neutrinos (et les antineutrinos correspondants), dont nous savons désormais qu'ils ont une masse, la masse respective des 3 familles de neutrinos serait :
  1. Neutrino électronique ve : < 2,5 eV/c2,
  2. Neutrino muonique νμ : < 170 keV/c2
  3. Neutrino tauique ντ : < 18 MeV/c2

Cependant, les contraintes cosmologiques apportées par le satellite WMAP et les modèles cosmologiques actuels, combinées aux résultats des expériences d’oscillations, indiquent que le plus lourd aurait une masse inférieure à 0,23 eV/c2, c'est-à-dire environ 0,41.10-36 kg, soit :

  • 2,2 millions de fois plus faible qu'un électron
  • 4 milliards de fois plus faible qu'un neutron ou un proton (masse similaire)

[réf. nécessaire]

Dans le système d'unités naturelles souvent utilisé par les physiciens des particules, dans lequel on pose c = 1, on omet d'écrire le « /c2 ».

Unité de quantité de mouvement[modifier | modifier le code]

Suivant le raisonnement précédent, on peut également utiliser l'électron-volt comme unité de quantité de mouvement, en eV/c. Là encore, le système d'unités naturelles permet d'écrire directement cette quantité de mouvement en eV, soit en général en GeV ou en TeV.

Unité de température[modifier | modifier le code]

Dans certains domaines, comme la physique des plasmas, il peut être pratique d'utiliser l'électron-volt comme unité de température. Pour effectuer la conversion, on utilise la constante de Boltzmann kB.

Par exemple, une température typique de plasma dans une fusion par confinement magnétique est de 15 keV, soit 174 MK (mégakelvins). La température ambiante (~20 °C) correspond à 1/40 d'électron-volt (0,025 eV).

Unité de temps[modifier | modifier le code]

Il arrive également que l'on mesure une durée très brève en électrons-volts. En effet, d'après la relation de Heisenberg, , on peut faire correspondre un temps à une énergie, et lorsque cette durée est très petite (inférieure à l'attoseconde, soit 10-18 s), la mesure est moins significative aux yeux de l'observateur exprimée en secondes qu'en eV. La conversion s'effectue par :

On rencontre de telles durées notamment dans les demi-vies de noyaux exotiques. Par exemple, la demi-vie du 8C est de 230 keV, soit 1,43×10-21 s.

Par souci de commodité, il est fréquent d'omettre le facteur 2 dans les calculs impliquant plusieurs unités. Ainsi, la conversion devient ħ/eV = 6,582 119×10−16 s

Unité de longueur[modifier | modifier le code]

Il arrive également que l'on mesure l'énergie des photons en électrons-volts.

soit :

or h la constante de Planck vaut :

et c la vitesse de la lumière est de 299 792 458 m⋅s-1.

Donc un photon de 1 eV aura une longueur d'onde de 1,239 841 875 µm. En pratique, on calcule une longueur d'onde de 1,24 nm pour un photon d'1 keV.

Dans les calculs impliquant plusieurs unités, il est plus cohérent d'utiliser ħ plutôt que h. En effet, une vitesse reste une distance divisée par un temps.[pas clair]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. La graphie avec un trait d’union est celle de l’Académie française (entrée électron-volt), mais elle accepte également la graphie électronvolt (article électron [1], puis lien losange). Cette dernière forme est celle retenue par le Bureau international des poids et mesures (BIPM, page 37), par les normes ISO 80000, par les normes AFNOR et par les décrets no 75-1200 (23 décembre 1975, page 13223) et 2003-165 (27 février 2003, page 3642).
  2. « Unités en dehors du SI en usage avec le SI et unités fondées sur des constantes fondamentales », sur le site du BIPM.
  3. Le potentiel d'extraction des éléments concerne une mesure d'énergie de cohésion caractéristique des corps simples minéraux, à structure cristalline ou polycristalline. Des atomes, groupes ou plans atomiques peuvent être arrachés lors de mesures de spectrométrie UV sous vide. Les potentiels d'électrode normaux, par exemple en solution aqueuse à 298 K, en électrochimie sont l'équivalent de forces électromotrices cellulaires ou de tensions caractéristiques de réactions redox exprimées en volt. Toutefois une tradition anglo-saxonne les assimile à une énergie exprimée en e.V

Bibliographie[modifier | modifier le code]

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]