Volt-zu-Elektronenvolt-Rechner

Das Elektronenvolt (eV) ist die Standard-Energieeinheit in der Teilchenphysik, Atomphysik und Halbleitertechnik. Es ist definiert als die kinetische Energie, die ein einzelnes Elektron gewinnt, wenn es im Vakuum durch eine elektrische Potentialdifferenz von genau einem Volt beschleunigt wird. Da die Elementarladung des Elektrons 1.602176634×10⁻¹⁹ Coulomb beträgt, entspricht ein Elektronenvolt 1.602176634×10⁻¹⁹ Joule. Die Grundgleichung lautet E = qV, wobei E die Energie in Joule, q die Ladung des Teilchens in Coulomb und V die Spannung in Volt ist. Für ein einzelnes Elektron gilt q = e (die Elementarladung), daher ist die Energie in Joule immer die Spannung multipliziert mit 1.602176634×10⁻¹⁹. Entscheidend ist: Der Zahlenwert der Energie in Elektronenvolt ist identisch mit der Spannung in Volt – 12 Volt beschleunigen ein Elektron auf 12 eV, und 1 000 Volt ergeben 1 000 eV (1 keV). Diese elegante 1:1-Zuordnung macht das Elektronenvolt so praktisch. In der Atom- und Kernphysik werden Elektronenvolt bevorzugt, weil Joule auf subatomaren Skalen unhandlich groß sind. Ein einzelnes Photon sichtbaren Lichts hat nur etwa 2–3 eV, die Ionisationsenergie von Wasserstoff beträgt 13.6 eV, ein typisches Röntgenphoton trägt 100 bis 100 000 eV, und Gammastrahlenphotonen liegen über 100 keV. Moderne Teilchenbeschleuniger beschleunigen Protonen hingegen auf Milliarden von Elektronenvolt (GeV) und sogar Billionen (TeV). Als Vielfache von 10⁻¹⁹ Joule wären all diese Zahlen sehr unübersichtlich. In der Halbleitertechnik beschreibt eV die Bandlücke – den Energieunterschied zwischen Valenzband und Leitungsband eines Materials. Silizium hat eine Bandlücke von 1.12 eV, Galliumarsenid etwa 1.42 eV und Galliumnitrid ungefähr 3.4 eV. Diese Werte bestimmen, welche Wellenlängen ein Material absorbieren oder emittieren kann, und sind daher für Solarzellen, LEDs und Laserdioden entscheidend. Die Einschaltspannung einer vorwärts betriebenen LED entspricht ungefähr ihrer Bandlücke in eV. Im Elektronenmikroskop bestimmt die Beschleunigungsspannung die Auflösung des Strahls. Ein 100-kV-Elektron hat eine de-Broglie-Wellenlänge, die um Größenordnungen kleiner ist als sichtbares Licht, wodurch Aufnahmen im Subnanometerbereich möglich werden. In Massenspektrometern wird das Masse-zu-Ladung-Verhältnis eines Ions (m/z) anhand der Beschleunigungsspannung in Elektronenvolt kalibriert. Das Verständnis des Volt-zu-eV-Zusammenhangs ist daher nicht nur eine Einheitensache – es verbindet makroskopische elektrische Größen mit dem quantenmechanischen Verhalten einzelner Teilchen.