Elektronvolt: de meeteenheid achter atomen, chips en deeltjesversnellers
Een elektronvolt (eV) is een eenheid van energie, net zoals de joule dat is. Het verschil is de schaal: waar een joule geschikt is om te beschrijven hoeveel energie nodig is om een appel op te tillen, is de elektronvolt gemaakt voor de wereld van atomen, elektronen en lichtdeeltjes. Eén elektronvolt is de energie die een elektron opneemt wanneer het wordt versneld over een spanningsverschil van precies één volt — ongeveer wat een AA-batterij levert, maar dan voor één enkel deeltje.
Denk aan het verschil tussen het wegen van een olifant in kilogrammen en het wegen van een zandkorrel in kilogrammen: het kan, maar de getallen worden onhandig klein. Zo is één joule aan energie voor een elektron een absurd groot getal met achttien nullen achter de komma. Natuurkundigen en ingenieurs gebruiken daarom de elektronvolt als praktische maat wanneer ze het hebben over de energie van licht, de sterkte van chemische bindingen, of de klap waarmee deeltjes in een versneller op elkaar botsen.
Wat is het precies?
De definitie is eenvoudig te herleiden uit twee grootheden die iedereen kent van natuurkunde op school: lading en spanning. Een elektron heeft een vaste, minieme elektrische lading. Wanneer dat elektron een spanningsverschil van één volt doorloopt — bijvoorbeeld tussen de plus- en minpool van een batterij — wint het een hoeveelheid bewegingsenergie die we één elektronvolt noemen. In joules uitgedrukt is dat 1,602 × 10-19 joule, een getal dat vooral laat zien waarom niemand deze eenheid in joules wil gebruiken.
Omdat de energieën in de deeltjeswereld sterk uiteenlopen, werken natuurkundigen met voorvoegsels: kiloelektronvolt (keV, duizend eV), megaelektronvolt (MeV, miljoen eV), gigaelektronvolt (GeV, miljard eV) en teraelektronvolt (TeV, duizend miljard eV). Röntgenstraling zit in de orde van keV, de massa van een proton komt overeen met ongeveer 938 MeV, en de krachtigste deeltjesversnellers ter wereld bereiken botsingsenergieën van meerdere TeV.
De elektronvolt duikt op in verrassend veel hoeken van de natuurkunde en scheikunde. De energie van een lichtdeeltje (foton) wordt vaak in eV uitgedrukt: zichtbaar licht heeft fotonenergieën van ongeveer 1,6 tot 3,3 eV, waarbij rood licht aan de onderkant zit en violet aan de bovenkant. Ook de energie die nodig is om een elektron helemaal los te maken van een atoom (ionisatie-energie) en de zogeheten bandkloof in halfgeleidermaterialen — cruciaal voor chips, zonnecellen en leds — worden standaard in eV opgegeven.
Wat wil men ermee bereiken?
De elektronvolt is zelf geen technologie die "verder ontwikkeld" wordt; het is een meetlat. Het bestaansrecht ervan ligt in het feit dat het de communicatie en het ontwerp binnen de fysica en materiaalkunde enorm vereenvoudigt. Wie de bandkloof van een materiaal in eV kent, weet meteen welke kleur licht een led zal uitzenden of welk deel van het zonlicht een zonnecel kan omzetten in stroom.
In de deeltjesfysica is de elektronvolt onmisbaar om de energie te beschrijven waarmee deeltjes op elkaar worden afgevuurd in versnellers. Hoe hoger de botsingsenergie in GeV of TeV, hoe zwaardere en zeldzamere deeltjes er tijdelijk tot bestaan kunnen worden gebracht — dat is precies hoe het Higgsboson in 2012 werd gevonden, bij een energie die overeenkwam met een massa van ongeveer 125 GeV (via Einsteins beroemde E=mc²).
Ook in opkomende technologieën zoals quantumcomputers, geavanceerde sensoren en nieuwe zonnecelmaterialen is het doel steeds hetzelfde: de energieniveaus van elektronen in een materiaal zo precies mogelijk afstemmen. Onderzoekers "ontwerpen" materialen op basis van de gewenste bandkloof in eV, vergelijkbaar met hoe een architect een gebouw ontwerpt op basis van gewenste afmetingen.
Voorbeelden uit de praktijk
De Large Hadron Collider (CERN, sinds 2008) laat protonen botsen bij energieën tot 13,6 TeV per botsing. Dankzij deze schaal kon in 2012 het Higgsboson worden aangetoond, het deeltje dat verantwoordelijk is voor massa in het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Silicium zonnecellen, de meest gebruikte technologie in zonnepanelen wereldwijd, hebben een bandkloof van ongeveer 1,1 eV. Deze waarde bepaalt welk deel van het zonlicht wordt omgezet in elektriciteit en is de reden waarom onderzoekers naar materialen met een andere bandkloof zoeken, zoals perovskiet, om het rendement te verhogen.
Blauwe leds, uitgevonden door Shuji Nakamura, Isamu Akasaki en Hiroshi Amano (Nobelprijs Natuurkunde 2014), zijn gebaseerd op galliumnitride met een bandkloof van circa 3,4 eV. Zonder deze doorbraak was energiezuinige witte ledverlichting, die rood, groen én blauw licht combineert, niet mogelijk geweest.
Het foto-elektrisch effect, verklaard door Albert Einstein in 1905 (waarvoor hij in 1921 de Nobelprijs kreeg), beschrijft hoe licht met voldoende energie in eV elektronen uit een metaaloppervlak kan slaan. Dit principe ligt aan de basis van zonnecellen en beeldsensoren.
Toekomstige deeltjesversnellers, zoals het voorgestelde Future Circular Collider van CERN, mikken op botsingsenergieën tot 100 TeV om nog zwaardere, onontdekte deeltjes te kunnen opsporen.
Hoe ver is de techniek?
De elektronvolt als eenheid is volledig uitontwikkeld en al decennialang internationaal geaccepteerd binnen de natuurkunde, ook al maakt het formeel geen deel uit van het SI-stelsel van eenheden. De echte vooruitgang zit in de technologieën die de eenheid gebruiken.
In de deeltjesfysica groeit de bereikbare energie gestaag: van enkele GeV in de jaren zeventig naar meer dan 13 TeV nu bij de LHC. Elke stap omhoog vergt enorme investeringen in magneten, koeling en infrastructuur, en vooruitgang verloopt in decennia, niet in jaren. Een opvolger van de LHC met tien keer hogere energie is op zijn vroegst rond het jaar 2045 operationeel, en de financiering daarvan staat nog niet vast.
In de materiaalkunde gaat de ontwikkeling sneller: nieuwe halfgeleidermaterialen met een specifieke bandkloof worden voortdurend ontdekt en verfijnd, gedreven door de vraag naar efficiëntere zonnecellen, snellere chips en energiezuinigere schermen. Een belangrijk obstakel blijft de opschaling van laboratoriumresultaten naar betaalbare massaproductie.
Wie werken eraan?
CERN (Europese Organisatie voor Kernonderzoek, bij Genève) is wereldwijd toonaangevend in hoogenergetische deeltjesfysica en exploiteert de LHC. In de Verenigde Staten speelt Fermilab een vergelijkbare rol met eigen versnellerexperimenten.
Op het gebied van meeteenheden en fundamentele constanten bewaakt het NIST (National Institute of Standards and Technology, VS) samen met het internationale BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) de precieze definities die de elektronvolt onderbouwen.
In de halfgeleiderindustrie werken bedrijven als Intel, Samsung, TSMC en gespecialiseerde onderzoeksinstellingen zoals imec (België) voortdurend met bandkloofwaarden in eV bij het ontwerpen van chips en sensoren. Universiteiten wereldwijd, van Delft tot Tokio, doen fundamenteel onderzoek naar nieuwe materialen waarbij de elektronvolt de standaardtaal is.