전자볼트

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1. 개요
2. 정의 및 사용
3. 다른 물리량 및 단위와의 관계
4. 에너지 비교
- 4.1. 주요 에너지 예시
참조

1. 개요

전자볼트(eV)는 전자가 1볼트의 전위차를 통과할 때 얻거나 잃는 에너지의 양을 나타내는 단위이다. SI 단위는 아니지만, 고체, 원자, 핵, 입자 물리학 및 고에너지 천체물리학 등 다양한 분야에서 널리 사용된다. 전자볼트는 SI 접두어와 함께 사용되며, 질량, 운동량, 온도, 거리, 파장 등 다른 물리량과 연관되어 사용되기도 한다. 한국에서는 반도체, 핵융합, 입자 가속기 연구 등에서 전자볼트 단위를 활용한다.

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전자볼트
기본 정보
이름	전자볼트
로마자 표기	jeonja bolteu
영어 이름	electron volt
기호	eV
물리량	에너지
단위계	비SI 단위, SI 병용 단위
정의	진공 중에서 1 V의 전위차를 통과함으로써 전자가 얻는 운동 에너지
SI 단위	1.602176634 × 10⁻¹⁹ 줄 (정확히)
변환
1 eV	1.602176634 × 10⁻¹⁹ 줄

2. 정의 및 사용

전자볼트는 1볼트의 전위차에서 전자가 얻거나 잃는 에너지이다. electronvolt^영어의 기호는 eV이다. 전자볼트는 SI 단위는 아니지만, 물리학의 여러 분야에서 널리 사용된다. 특히 고체, 원자, 핵, 입자 물리학과 고에너지 천체물리학에서 널리 사용되는 에너지 단위이다.

SI 접두어와 함께 meV, keV, MeV, GeV, TeV, PeV, EeV 등과 같이 사용된다. 에너지의 SI 단위는 줄(J)이다.

일부 오래된 문서와 "베바트론"이라는 이름에서 볼 수 있듯이, "BeV" 기호가 사용되는데, 여기서 "B"는 "십억"을 의미한다. 따라서 "BeV" 기호는 "GeV"와 같지만, 둘 다 SI 단위는 아니다.

물리학 분야에서는 수 meV – 수 eV (더 큰 경우도 있음) 범위의 논의가 많으며(1 meV는 약 10 K에 해당), 고에너지 물리학 분야에서는 수 MeV – 수 GeV (또는 그 이상) 범위의 논의가 많다.

천체물리학에서는 초신성 폭발 등에 의해 은하계에서 오는 우주선이 TeV – PeV 정도이다. 또한, 은하계 외부의 알 수 없는 기원에 의해 모든 방향에서 오는 우주선은 1입자가 매초 전구 1개의 에너지라는 초강력 ZeV 정도이다.^[17]

전자볼트(eV)라는 단위는 일상생활에서는 거의 사용되지 않지만, 거시적인 물질이나 현상을 소립자 하나하나의 단위로 기술하기에는 편리하다. 이 때문에 학문이나 산업 현장에서 광자, 전자, 원자 등이 가지는 에너지의 크기를 나타낼 때 널리 이용되고 있다. 아래에 대표적인 예를 몇 가지 제시한다.

물질 속 전자가 가지는 에너지를 표현하는 데 사용된다. 예를 들어, 외부에서 가한 전계에 의해 전체 전위가 1V 변화하면 전계 내 전자의 위치에너지가 1eV 변화하기 때문에 계산상 편리하다.
물질 전반의 원자가전자, 자유전자 등의 에너지 표현에 사용된다.
반도체 소자 내부의 밴드 구조 표현에 사용된다.
플라스마 내 전자(및 원자)의 에너지 기술에 사용된다.
고에너지물리학, 방사선 치료에서 가속기에서 조사되는 하전입자의 에너지 크기를 나타내는 데 사용된다.

가시광선 영역에서 광자 1개의 에너지는 수 eV이다(예를 들어, 파장 620 nm의 붉은색 빛 광자 1개의 에너지는 2eV이다). 단위 eV는 광자와 전자의 상호작용을 다루는 데 편리하다.

3. 다른 물리량 및 단위와의 관계

전자볼트는 질량-에너지 등가성에 의해 질량의 단위로도 사용되며, 입자 물리학에서 널리 활용된다. 에너지, 운동량, 온도, 시간, 거리 등 다양한 물리량을 전자볼트 기반으로 표현할 수 있다.^[1]

여러 물리량과 전자볼트(eV) 단위의 관계
물리량	단위	SI 단위 환산값
에너지	eV
질량	eV/c²
운동량	eV/c
온도	eV/k_B
시간	ħ/eV
거리	ħc/eV

에너지 단위 환산
	줄 (J = kg·m²/s²)	킬로와트시 (kW·h)	전자볼트 (eV)	중량 킬로그램미터 (kgf·m)	국제증기표칼로리 (cal_IT)
1 J	= 1	≈	≈	≈	≈
1 kW·h	=	= 1	≈	≈	≈
1 eV	=	≈	= 1	≈	≈
1 kgf·m	=	≈	≈	= 1	≈ 2.342
1 cal_IT	= 4.1868	≈	≈	≈	= 1

3. 1. 질량

질량-에너지 등가성(E=mc²)에 따라 전자볼트는 질량 단위로 사용될 수 있다. 입자물리학에서는 질량과 에너지를 상호 교환 가능한 단위로 취급하며, 자연 단위계(c=1)를 사용하여 eV를 질량 단위로 사용하기도 한다.

예를 들어, 각각 0.511 MeV/c²의 질량을 가진 전자와 양전자가 쌍소멸하여 1.022 MeV의 에너지를 생성할 수 있다. 양성자의 질량은 약 0.938 GeV/c²이다. 1 GeV/c²는 약 1.783 × 10⁻²⁷ kg에 해당한다.^[2] 원자 질량 단위(amu)는 수소 원자의 질량과 거의 같으며, 1 amu는 약 931.46 MeV/c²이다.

3. 1. 1. 질량 단위 환산

질량-에너지 등가성에 의하면, 전자볼트는 질량의 단위이기도 하다. 입자 물리학에서는 ''E = mc²'' 식으로부터 eV/''c'' (''c''는 진공에서의 빛의 속도)로 질량과 에너지가 종종 교환되면서 사용된다. 보통, ''c''를 1로 간주하여, 단순히 eV가 질량의 단위로 사용된다.^[1]

예를 들어, 각각 의 질량을 가진 전자와 양전자가 쌍소멸하여 의 에너지를 생성할 수 있다. 양성자는 의 질량을 갖는다. 일반적으로 모든 하드론의 질량은 정도이며, 이는 GeV/''c''²를 입자 물리학에서 편리한 질량 단위로 만든다.^[2]

원자 질량 단위(1 amu = 1 g/N_A)는 수소 원자의 질량과, 그리고 양성자의 질량과 거의 같다. 다음 관계를 이용하여, 메가전자볼트를 원자 질량 단위로 변환할 수 있다.

1 amu	=
1 MeV/c²	amu

3. 2. 운동량

전자볼트(eV) 단위의 입자 운동 에너지를 기본 상수인 빛의 속도(c)로 나누면 eV/c 단위로 입자의 운동량을 나타낼 수 있다.^[3] 기본 속도 상수 c가 수치적으로 1인 자연 단위계에서는 c를 생략하고 전자볼트 단위를 사용하여 운동량을 나타낼 수 있다.

에너지-운동량 관계는 자연 단위(

c=1

)에서

E^2 = p^2 + m_0^2

로 나타나는 피타고라스 방정식이다. 상대적으로 높은 에너지가 상대적으로 낮은 정지 질량을 가진 입자에 가해질 때, 고에너지 물리학에서는

E \simeq p

로 근사할 수 있으므로, eV 단위로 표현된 가해진 에너지는 eV/c 단위로 표현된 운동량의 변화와 수치적으로 거의 동등하게 된다.

예를 들어, 전자의 운동량 ''p''가 1 GeV/c라면, MKS 단위계로의 변환은 다음과 같이 수행할 수 있다.

:

p = 1\; \text{GeV}/c = \frac{(1 \times 10^9) \times (1.602\ 176\ 634 \times 10^{-19} \; \text{C}) \times (1 \; \text{V})}{2.99\ 792\ 458 \times 10^8\; \text{m}/\text{s}} = 5.344\ 286 \times 10^{-19}\; \text{kg} {\cdot} \text{m}/\text{s}.

3. 3. 온도

플라스마 물리학 등 특정 분야에서는 전자볼트를 사용하여 온도를 나타내는 것이 편리하다. 전자볼트는 볼츠만 상수로 나누어 켈빈으로 변환한다.

\frac{1 \,\mathrm{eV}}{k_{\text{B}}} = \frac{1.602\ 176\ 634 \times 10^{-19} \text{ J}}{1.380\ 649 \times 10^{-23} \text{ J/K}} = 11\ 604.518\ 12 \text{ K},

여기서 ''k''_B는 볼츠만 상수이다.

온도를 나타내는 데 전자볼트를 사용할 때는 ''k''_B가 가정된다. 예를 들어, 일반적인 자기장 속에 가두어 핵융합을 하는 방식 플라스마는 15 keV (킬로전자볼트)이며, 이는 174 MK(메가켈빈)와 같다.

근사값으로 20°C의 온도에서 ''k''_B''T''는 약 0.025 eV (≈ 290 K / 11604 K/eV)이다.

통계역학의 볼츠만 공식에 기반하여, 전자볼트 단위로 표시된 값은 볼츠만 상수 (k_{\text{B}} = 8.617\ 333\ 3 \times 10^{-5} \text{ eV/K})로 나누어 온도(켈빈을 단위로 하는 열역학적 온도)로 환산할 수 있다.

{1 \over k_{\text{B}}} = {1.602\,176\,634 \times 10^{-19} \text{ J/eV} \over 1.380\,649 \times 10^{-23} \text{ J/K}} = 1.160\,451\,81 \times 10^{4}  \text{ K/eV}

따라서, 1.5 eV의 평균 운동에너지를 갖는 3차원 단원자 분자로 구성된 이상기체의 온도는 11604.5181 K가 된다.

전형적인 자기장 가둠 방식 핵융합로의 플라스마 온도를 예로 들어 15 keV를 볼츠만 상수로 나누면, 약 170 MK(메가켈빈)(약 1억 7천만 도)를 얻는다.

플라스마 물리학에서는 온도를 전자볼트로 나타내는 관례가 있다.

3. 4. 거리

입자물리학에서 진공에서의 빛의 속도(''c'')와 환산 플랑크 상수(ħ)가 무차원이며 1과 같은 단위계(1=''c'' = ''ħ'' = 1)가 널리 사용된다. 이 단위계에서 거리와 시간은 역에너지 단위로 표현되며(에너지와 질량은 같은 단위로 표현됨, 질량-에너지 등가성 참조), 특히 입자 산란 길이는 종종 역입자 질량 단위로 제시된다.

이 단위계를 벗어나면, 전자볼트, 초, 나노미터 사이의 변환 계수는 다음과 같다.

:ħ = 1.054 571 817 646 × 10^-34 J⋅s = 6.582 119 569 509 × 10^-16 eV⋅s.

위 관계식을 통해 불안정한 입자의 평균 수명 ''τ''(초)를 그 입자의 붕괴폭 Γ(eV)로 표현할 수 있다(Γ = ''ħ''/''τ''). 예를 들어, B 중간자의 수명은 1.530(9) 피코초이며, 평균 붕괴 길이는 , 붕괴폭은 이다.

반대로, 중간자 진동을 일으키는 미세한 중간자 질량 차이는 더 편리한 역피코초 단위로 표현되는 경우가 많다.

전자볼트 단위의 에너지는 때때로 같은 에너지를 가진 광자의 파장을 통해 표현된다.

:

\frac{1\; \text{eV}}{hc} = \frac{1.602\ 176\ 634 \times 10^{-19} \; \text{J}}{(2.99\ 792\ 458 \times 10^{11}\; \text{mm}/\text{s}) \times (6.62\ 607\ 015 \times 10^{-34}\; \text{J} {\cdot} \text{s})} \thickapprox 806.55439 \; \text{mm}^{-1}.

3. 5. 파장

광자의 에너지 ''E'', 진동수 ''ν'', 파장 ''λ''는 다음과 같은 관계를 가진다.

:

E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}= \frac{\mathrm{4.135\ 667\ 696 \times 10^{-15}\;eV/Hz} \times \mathrm{299\, 792\, 458\;m/s}}{\lambda}

여기서 ''h''는 플랑크 상수, ''c''는 광속이다. 이것은 다음과 같이 간략화된다.

:

\begin{align}E&= 4.135\ 667\ 696 \times 10^{-15}\;\mathrm{eV/Hz}\times\nu \\[4pt]&=\frac{1\ 239.841\ 98\;\mathrm{eV{\cdot}nm}}{\lambda}.\end{align}

(녹색광)의 파장을 가진 광자는 약 의 에너지를 가진다. 마찬가지로, 는 의 파장 또는 의 진동수를 갖는 적외선 광자에 해당한다.

4. 에너지 비교

광자의 에너지는 빛의 속도와 관련된 광자의 주파수에 따라서만 변한다. 이는 에너지가 속도와 정지 질량에 따라 달라지는 질량을 가진 입자와 대조적이다.^[4]^[5]^[6]

범례
γ: 감마선	MIR: 중적외선	HF: 고주파
HX: 경X선	FIR: 원적외선	MF: 중주파
SX: 연X선	전파	LF: 저주파
EUV: 극자외선	EHF: 초고주파	VLF: 초장파
NUV: 근자외선	SHF: 극초단파	ULF: 초저주파
가시광선	UHF: 초고주파	SLF: 초장파
NIR: 근 적외선	VHF: 초단파	ELF: 극저주파

다양한 현상에서 발생하는 에너지의 크기를 전자볼트(eV) 단위로 비교하면 다음과 같다.

에너지	원천
	20 킬로톤의 TNT 환산량 폭발에서 방출되는 에너지 (예: 팻맨 핵분열 폭탄의 핵무기 위력)
	10와트 장치(예: 일반적인^[9] LED 전구)가 1초 동안 소비하는 에너지
	, 날아다니는 모기의 운동 에너지 정도^[11]
	뮤온의 정지 질량 에너지
	하나의 U-235 원자에서 방출되는 핵분열 중성자의 평균 에너지
	업 쿼크의 정지 질량 에너지, 가장 낮은 질량의 쿼크
	, 전자의 정지 질량 에너지의 약 두 배
	실리콘에서 공유 결합을 끊는 데 필요한 에너지
	게르마늄에서 공유 결합을 끊는 데 필요한 에너지
<	중성미자의 정지 질량 에너지 상한(3가지 맛의 합)^[13]
	상온에서의 열에너지
	약 2.7 켈빈인 우주 마이크로파 배경 복사 온도에서의 열에너지

4. 1. 주요 에너지 예시

에너지	원천
	관측 가능한 우주의 모든 일반 물질의 질량-에너지^[7]
	플랑크 에너지
	근사적인 대통일 에너지
	관측된 최초의 초고에너지 우주선 입자인 소위 오 마이 갓 입자^[8]
	남극의 IceCube 중성미자 망원경에 의해 검출된 가장 높은 에너지 중성미자^[10]
	거대강입자가속기(2010년 3월 30일 시작 이후 3.5 TeV로 운영, 2015년 5월 13 TeV에 도달)에서 설계된 양성자 중심 질량 충돌 에너지
	톱 쿼크의 정지 질량 에너지
	힉스 보손의 정지 질량 에너지^[12]
	하나의 Pu-239 원자의 핵분열에서 방출되는 평균 에너지
	하나의 U-235 원자의 핵분열에서 방출되는 근사적인 평균 에너지
	중수소와 삼중수소의 핵융합으로 He-4를 형성할 때 방출되는 평균 에너지
	핵융합 시스템에서의 근사적인 열에너지
	수소 원자 이온화 에너지; 분자 결합 에너지는 결합당 에서 차수
	가시광선 스펙트럼의 광자 에너지 범위
	상온에서 기체 분자의 평균 운동 에너지

참조

_[1] 논문 Natural Units Before Planck
_[2] 웹사이트 Energy and momentum units in particle physics https://indico.cern.[...] 2022-06-05
_[3] 웹사이트 Units in particle physics http://quarknet.fnal[...] Fermilab 2002-03-22
_[4] 웹사이트 “What is Light?” https://web.archive.[...] 2006-01-09
_[5] 웹사이트 Electromagnetic Spectrum, The Physics Hypertextbook http://physics.info/[...] hypertextbook.com
_[6] 웹사이트 Definition of frequency bands on http://www.vlf.it/fr[...] Vlf.it
_[7] 웹사이트 Big Bang Energy https://web.archive.[...] 1998-02-11
_[8] 웹사이트 Open Questions in Physics https://www.desy.de/[...] 2012-07
_[9] 웹사이트 How Many Watts Does a Light Bulb Use? https://www.energysa[...]
_[10] 웹사이트 A growing astrophysical neutrino signal in IceCube now features a 2-PeV neutrino http://icecube.wisc.[...] 2014-05-21
_[11] 웹사이트 Glossary http://cms.web.cern.[...] CERN 2014-08-18
_[12] 논문 Combined Measurement of the Higgs Boson Mass in pp Collisions at √s=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS Experiments 2015-03-26
_[13] 논문 Direct neutrino mass experiments
_[14] 간행물 国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版 https://unit.aist.go[...] 産業技術総合研究所、計量標準総合センター 2020-04
_[15] 간행물 国際単位系（SI）第9版（2019）日本語版 https://unit.aist.go[...] 産業技術総合研究所、計量標準総合センター 2020-04
_[16] 서적 近角(2013)
_[17] 웹사이트 宇宙の謎を解く三つの手法 http://slideshowjp.c[...] 東京大学宇宙線研究所
_[18] 웹사이트 How to pronounce eV/c2 https://physics.stac[...]
_[19] 웹사이트 CODATA(evkg) http://physics.nist.[...]
_[20] 웹사이트 CODATA (electron mass) https://physics.nist[...]
_[21] 웹사이트 CODATA (proton mass) https://physics.nist[...]
_[22] 웹사이트 CODATA (uev) http://physics.nist.[...]
_[23] 웹사이트 2022 CODATA Value: electron volt NIST 2024-05-18

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