距離、エネルギー、質量を測定するための単位

原子核とその構成粒子は非常に小さいため、フェムトメートル( fm )の単位を用います。1 fm = $${10^{-15}}$$ m。これは、ナノメートル nm(分子の典型的なサイズ) の 100 万分の 1 （$${10^{-6}}$$）です。陽子または中性子のサイズは約 1 fm 程度、さらに小さく重い粒子があります。

素粒子の世界のエネルギーも小さすぎてジュールJでは測れません。代わりに用いるエネルギーの単位は電子ボルト( eV ) です。定義によると、1 eV は、電子が 1 ボルトの電位差を通過するときに電場で獲得するエネルギーです。1 eV は約 $${1.6×10^{-19}}$$ J です。

訳者注）電子の電荷は約$${1.6×10^{-19}}$$クーロンで、1アンペアの電流が1秒間で運ぶ電荷が1クーロンです． 1クーロン の電荷を1ボルト の電位差に逆らって動かすのに必要な仕事が１ジュール．1ジュールは、１ニュートンの力で1メートル動かすときの仕事でもあります．

電子ボルトeVは、原子や光のプロセスを記述するのに便利です。たとえば、室温の気体分子は、約１/40eVの運動エネルギーを持っています。可視光の光量子は、約 1 eV のエネルギーを持っています。

原子核や素粒子の内部で起こる現象は、さらに大きなエネルギー変化を伴います。メガ電子ボルト ( MeV ) 、ギガ電子ボルト ( GeV ) 、さらにはテラ電子ボルト ( TeV ) がここで使用されています。例えば、陽子や中性子は数十 MeV の運動エネルギーで原子核内を移動します。陽子の内部構造が顕著になる陽子-陽子衝突や電子-陽子衝突のエネルギーは数GeVです。現在知られている最も重い粒子であるトップ クォークを生成するには、約 1 TeV のエネルギーで陽子を押す必要があります。

距離スケールとエネルギースケールの間に対応関係を確立することができます。これを行うには、波長$${L}$$の光子のエネルギーを計算します:$${E =c h/L}$$ . ここで、$${c}$$ は光速、$${h}$$ はプランク定数で、約 $${h=6.62 10^{-34}}$$ J･s です。光子だけでなく、スケール $${L}$$で物質を研究するときに、対応するエネルギーの推定に広く使用できます。「微視的」単位では、1 GeV は約 1.2 fm フェムトメートルのサイズに相当します。

アインシュタインの有名な式$${E_{0} = mc^{2}}$$によると、質量と静止エネルギーは密接に関連しています。素粒子の世界では、この関係は最も直接的な方法で現れます。十分なエネルギーを持つ粒子が衝突すると、新しい重い粒子が生まれ、静止している重い粒子が崩壊すると、質量差が結果の粒子の運動エネルギーに移行します。

このため、粒子の質量も一般に電子ボルトで表せます (より正確には、電子ボルトを光速の 2 乗で割った値)。1 eV はわずか $${1.78×10^{-36}}$$ kgの質量に相当します 。これらの単位で電子の重さは 0.511 MeV、陽子の重さは 0.938 GeV です。多くのさらに重い粒子が発見されています。これまでの記録保持者は、質量が約 170 GeV のトップ クォークです。質量がゼロでない既知の粒子の中で最も軽いニュートリノは、数十 meV (ミリ電子ボルト) しかありません。

引用：https://old.elementy.ru/posters/collider
　　加速器（Ускоритель；Accelerator）より