エネルギーの単位：電子ボルト

エネルギーの単位：電子ボルト

電子ボルトとは

– 電子ボルトとは電子ボルトは、原子や分子といった非常に小さな世界におけるエネルギーの大きさを表す単位です。記号は「eV」と表記されます。 私たちが日常生活でよく使うエネルギーの単位にジュール(J)がありますが、これは例えば100グラムの物を1メートル持ち上げるのに必要なエネルギーといった、比較的身近なスケールの大きさを表すのに適しています。一方、原子や電子の世界では、ジュールという単位ではあまりにも大きすぎて使いづらいのです。そこで登場するのが電子ボルトです。電子ボルトは、1つの電子が1ボルトの電圧で加速されたときに得るエネルギーと定義されています。電子は非常に小さな粒子なので、1ボルトの電圧で加速されても得られるエネルギーはごくわずかです。このごくわずかなエネルギーを1電子ボルト(1eV)と定めているため、電子ボルトは原子や分子といったミクロな世界のエネルギーを表すのに最適な単位と言えるのです。例えば、水素原子の電子を最もエネルギーの低い状態から引き離すのに必要なエネルギーは約13.6電子ボルトです。このように、電子ボルトを用いることで、原子や分子が持つエネルギーを分かりやすく表現することができます。

電子ボルトの活躍する場面

電子ボルトという単位は、私たちの身近な電気製品の電力などとは違って、原子核や素粒子といった極めて小さな世界のエネルギーを表す際に使われます。

原子核物理学や素粒子物理学といった分野では、粒子加速器という巨大な装置を使い、粒子を光速に近い速度まで加速してぶつける実験が行われています。この実験では、粒子が持つエネルギーが重要な役割を果たしますが、そのエネルギーの大きさを表す単位として電子ボルトが用いられます。

例えば、スイスのジュネーブ近郊にある世界最大の粒子加速器LHCでは、陽子という粒子をテラ電子ボルト(TeV)という非常に高いエネルギーまで加速させています。テラ電子ボルトは、1兆電子ボルトという途方もない大きさのエネルギーを表しており、これは家庭用の電球を1億分の1秒間点灯させるのに必要なエネルギーに相当します。

このように、電子ボルトは、原子核や素粒子の世界を解明するための研究において欠かせない単位となっています。

温度との関係

物質の温度は、それを構成する原子や分子の運動の激しさによって決まります。温度が高いということは、原子や分子がより速く、より激しく動いていることを意味します。この運動の激しさは、エネルギーを使って表すことができます。

物質の温度を表す尺度として、普段は摂氏や華氏を使いますが、原子や分子の世界では「電子ボルト」というエネルギーの単位がよく使われます。 1電子ボルトは、1個の電子が1ボルトの電圧で加速されたときに得るエネルギーです。

電子ボルトは非常に小さなエネルギー単位ですが、高温のプラズマなど、原子や分子が非常に高いエネルギーを持つ場合に便利です。例えば、太陽の中心部は約1,500万度という高温ですが、これは約1.5キロ電子ボルトに相当します。これは、太陽の中心部にある原子やイオンが、平均して1.5キロ電子ボルトの運動エネルギーを持っていることを意味します。

このように、電子ボルトを使うことで、物質の温度を原子や分子の運動エネルギーという観点から理解することができます。

核融合と電子ボルト

太陽や星々が輝き続けるエネルギー源、それが核融合です。核融合とは、軽い原子核同士が合体してより重い原子核へと変化する反応です。この時、莫大なエネルギーが放出されるため、核融合は未来のエネルギー源として期待されています。

しかし、核融合を起こすことは容易ではありません。原子核はプラスの電荷を持っているので、近づけようとすると反発し合ってしまうからです。この反発力に打ち勝って核融合を起こすためには、原子核同士を非常に高速に衝突させる必要があります。

原子核にどれだけの運動エネルギーを与える必要があるのかを表す指標として、電子ボルト(eV)という単位が使われます。電子ボルトとは、電子1個が1ボルトの電圧で加速された時に得るエネルギーのことです。核融合反応を起こすためには、原子核に数千電子ボルトから数億電子ボルトという非常に高いエネルギーを与える必要があります。

例えば、海水中に豊富に存在する重水素と三重水素の核融合反応では、約10keV以上のイオン温度が必要です。これは、原子核が約1億度という超高温の状態にあることを意味します。このように、核融合の実現には、極めて高い温度と圧力が必要となるため、技術的な課題を克服していく必要があります。