Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Элементарный электрический заряд
Определение:Заряд из протона
Символ:e или иногда q e
Значение в кулонах :1,602 176 634 × 10 −19  ° C [1]

Элементарный заряд , обычно обозначается через е или иногда д е представляет собой электрический заряд осуществляется с помощью одного протона или, что эквивалентно, величина отрицательного электрического заряда , переносимого одного электрона , который имеет заряд -1 е . [2] Этот элементарный заряд является фундаментальной физической постоянной . Чтобы избежать путаницы по поводу его знака, е иногда называют элементарным положительным зарядом .

С 2019 переопределения из основных единиц СИ , которые вступили в силу 20 мая 2019, его значение точно 1.602 176 634 × 10 −19  C [1] , по определению кулона . В системе единиц сантиметр – грамм – секунда (СГС) это4.803 204 25 (10) × 10 −10  статкулонов . [3]

Точное значение элементарного заряда означает, что значение ε 0 ( электрическая постоянная ), которое раньше было точным значением, теперь подлежит экспериментальному определению: ε 0 имело точно определенное значение до переопределения СИ в 2019 году, после чего оно со временем стал предметом экспериментального уточнения. [4] Комитеты СИ ( CGPM , CIPM и др.) Давно рассматривали возможность полностью переопределить базовые единицы СИ с точки зрения физических констант, чтобы устранить их зависимость от физических артефактов (таких как Международный прототип килограмма): чтобы это работало, необходимо было определить фиксированные значения физических констант. [5]

Эксперимент Роберта А. Милликена с каплей масла впервые измерил величину элементарного заряда в 1909 году [6].

Как единое целое [ править ]

См. Также: Новые определения SI
Элементарный заряд ( в качестве единицы из заряда )
Система единицАтомные единицы
Единицаэлектрический заряд
Символe или q
Конверсии
1 е или q в ...... равно ...
   кулон   1,602 176 634 × 10 −19 [1]
   статкулон   4,803 204 25 (10) × 10 −10
   HEP : √ ħc   0,30282212088
   √ МэВ ⋅ Фм   √ 1.4399764

В некоторых естественных системах единиц , таких как система атомных единиц , е функционирует как единица электрического заряда, то есть е равно 1 е в этих системах единиц. Использование элементарного заряда в качестве единицы было продвинуто Джорджем Джонстоном Стоуни в 1874 году для первой системы натуральных единиц , названной единицами Стони . [7] Позже он предложил название « электрон» для этого устройства. В то время частица, которую мы теперь называем электроном, еще не была открыта, и разница между электроном частицы и единицей заряда электронавсе еще было размыто. Позже частице было присвоено имя электрон, а единица заряда е утратила свое название. Однако единица энергии электронвольт напоминает нам, что элементарный заряд когда-то назывался электроном .

В единицах Лоренца – Хевисайда единица заряда является зависимой , так что e = √ 4 π α √ ħc ≈ 0,30282212088 √ ħc , где

α - постоянная тонкой структуры , c - скорость света , - приведенная постоянная Планка .

Квантование [ править ]

См. Также: Частичная зарядка

Квантование заряда - это принцип, согласно которому заряд любого объекта является целым кратным элементарному заряду. Таким образом, заряд объекта может быть ровно 0  e или точно 1  e , −1  e , 2  e и т. Д., Но не, скажем,1/2 e или −3,8  e и т. д. (Могут быть исключения из этого утверждения, в зависимости от того, как определяется «объект»; см. ниже.)

Это причина использования термина «элементарный заряд»: он подразумевает, что это неделимая единица заряда.

Плата меньше, чем элементарная плата [ править ]

Есть два известных вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы .

  • Кварки , впервые представленные в 1960-х годах, имеют квантованный заряд, но этот заряд квантуется в несколько раз.1/3 е . Однако кварки нельзя рассматривать как изолированные частицы; они существуют только в группах, и все стабильные группы кварков (например, протон , состоящий из трех кварков) имеют заряды, кратные е . По этой причине либо 1  e, либо1/3 e можно с полным основанием считать « квантом заряда», в зависимости от контекста. Эта соизмеримость зарядов, «квантование зарядов», частично мотивировала Теории Великого Объединения .
  • Квазичастицы - это не частицы как таковые, а скорее возникающая сущность в сложной материальной системе, которая ведет себя как частица. В 1982 году Роберт Лафлин объяснил дробный квантовый эффект Холла , постулировав существование дробно заряженных квазичастиц . Эта теория сейчас широко принята, но это не считается нарушением принципа зарядового квантования, поскольку квазичастицы не являются элементарными частицами .

Что такое квант заряда? [ редактировать ]

Все известные элементарные частицы , включая кварки, имеют заряды, кратные целому числу1/3 е . Следовательно, можно сказать, что « квант заряда» равен1/3 е . В этом случае говорят, что «элементарный заряд» в три раза больше «кванта заряда».

С другой стороны, все изолируемые частицы имеют заряды, кратные е . (Кварки не могут быть изолированы: они существуют только в коллективных состояниях, таких как протоны, суммарные заряды которых кратны е .) Следовательно, можно сказать, что «квант заряда» равен е , при условии, что кварки не должны быть включены. В этом случае «элементарный заряд» будет синонимом «кванта заряда».

Фактически используются обе терминологии. [8] По этой причине такие фразы, как «квант заряда» или «неделимая единица заряда» могут быть неоднозначными, если не дано дальнейшее уточнение. С другой стороны, термин «элементарный заряд» недвусмысленен: он относится к количеству заряда, равному заряду протона.

Отсутствие дробных сборов [ править ]

Поль Дирак в 1931 году утверждал, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд необходимо квантовать; однако неизвестно, существуют ли на самом деле магнитные монополи. [9] [10] В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничены целыми зарядами; Большая часть теории струн допускает дробные заряды. [11] [12]

См. Также: Аномалия (физика) § Отмена аномалии

Экспериментальные измерения элементарного заряда [ править ]

Перед чтением необходимо помнить, что элементарный сбор с 20 мая 2019 года точно определен Международной системой единиц .

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея [ править ]

Если постоянная Авогадро N A и постоянная Фарадея F известны независимо друг от друга, значение элементарного заряда можно вывести по формуле

(Другими словами, заряд одного моля электронов, деленный на количество электронов в моле, равен заряду одного электрона.)

Этот метод не является тем, как сегодня измеряются самые точные значения. Тем не менее, это законный и достаточно точный метод, экспериментальные методики описаны ниже.

Значение постоянной Авогадро N A было впервые приближено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году оценил средний диаметр молекул в воздухе методом, эквивалентным вычислению количества частиц в данном объеме газа. [13] Сегодня значение N A можно измерить с очень высокой точностью, взяв чрезвычайно чистый кристалл (часто кремний ), измерив расстояние между атомами с помощью дифракции рентгеновских лучей или другим методом и точно измерив плотность кристаллов. кристалл. Из этой информации можно вывести массу ( m ) отдельного атома; а так как молярная масса (M ) известно, количество атомов в моль можно вычислить: N A  = M / m . [14]

Значение F можно измерить напрямую, используя законы электролиза Фарадея . Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. [15] В эксперименте по электролизу существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через анод-катодную проволоку, и ионы, которые оседают на аноде или катоде или снимаются с них. Измерение изменения массы анода или катода, а также полного заряда , проходящего через проволоку (которая может быть измерена как время , интеграл от электрического тока ), а также принимая во внимание молярную массу ионов, можно сделать вывод , F .[14]

Предел точности метода - это измерение F : лучшее экспериментальное значение имеет относительную погрешность 1,6 ppm, что примерно в тридцать раз выше, чем у других современных методов измерения или расчета элементарного заряда. [14] [16]

Эксперимент с каплей нефти [ править ]

Основная статья: Эксперимент с каплей масла

Известный метод измерения е - эксперимент Милликена с каплей масла. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться со скоростью, уравновешивающей силы тяжести , вязкости (движения по воздуху) и электрической силы . Силы гравитации и вязкости могут быть рассчитаны на основе размера и скорости масляной капли, поэтому электрическая сила может быть вычислена. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд масляной капли можно точно вычислить. Измерив заряды множества различных капель масла, можно увидеть, что все заряды являются целыми числами, кратными одному небольшому заряду, а именно e .

Необходимость измерения размера масляных капель может быть устранена путем использования крошечных пластиковых сфер одинакового размера. Силу, возникающую из-за вязкости, можно устранить, отрегулировав напряженность электрического поля так, чтобы сфера зависала неподвижно.

Дробовой шум [ править ]

Основная статья: Дробовой шум

Любой электрический ток будет связан с шумом от множества источников, одним из которых является дробовой шум . Дробовой шум существует потому, что ток не является плавным непрерывным потоком; вместо этого ток состоит из дискретных электронов, которые проходят по одному. Путем тщательного анализа шума тока можно рассчитать заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Уолтером Шоттки , позволяет определять значение e, точность которого ограничена несколькими процентами. [17] Однако он был использован в первом прямом наблюдении квазичастиц Лафлина , участвующих в дробном квантовом эффекте Холла . [18]

Из констант Джозефсона и фон Клитцинга [ править ]

Другой точный метод измерения элементарного заряда заключается в его выводе из измерений двух эффектов в квантовой механике : эффекта Джозефсона , колебаний напряжения, возникающих в определенных сверхпроводящих структурах; и квантовый эффект Холла , квантовый эффект электронов при низких температурах, сильных магнитных полях и двухмерном ограничении. Постоянная Джозефсона равна

где h - постоянная Планка . Его можно измерить напрямую, используя эффект Джозефсона .

Постоянная фон Клитцинга равна

Его можно измерить напрямую, используя квантовый эффект Холла .

Из этих двух констант можно вывести элементарный заряд:

CODATA метод [ править ]

Соотношение, используемое CODATA для определения элементарного заряда, было:

где h - постоянная Планка , α - постоянная тонкой структуры , μ 0 - магнитная постоянная , ε 0 - электрическая постоянная , c - скорость света . В настоящее время это уравнение отражает связь между ε 0 и α , в то время как все остальные являются фиксированными значениями. Таким образом, относительные стандартные неопределенности обоих будут одинаковыми.

См. Также [ править ]

  • CODATA 2018

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c «2018 CODATA Value: elementary charge» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
  2. ^ Символ e имеет много других значений. Несколько смутно, в атомной физике , е иногда обозначает заряд электрона, то есть отрицательный элементарный заряд. В США основание натурального логарифма часто обозначается e (курсивом), в то время как в Великобритании и континентальной Европе оно обычно обозначается e (римский шрифт).
  3. ^ Это получено иззначения и погрешности Национального института стандартов и технологий с учетом того факта, что один кулон равен точно 2 997 924 580 statcoulombs. Коэффициент преобразования в десять раз превышает числовую скорость света в метрах в секунду .
  4. ^ Консультативный комитет по электричеству и магнетизму (2019). « Mise en pratique для определения ампера и других электрических единиц в системе СИ» (PDF) . BIPM.
  5. ^ Международное бюро мер и весов (2019-05-20), Брошюра SI: Международная система единиц (SI) (PDF) (9-е изд.), ISBN  978-92-822-2272-0, п. 125
  6. ^ Роберт Милликен: Эксперимент с каплей нефти
  7. ^ GJ Stoney (1894). «Об« Электроне »или атоме электричества» . Философский журнал . 5. 38 : 418–420. DOI : 10.1080 / 14786449408620653 .
  8. ^ Q означает Quantum , Джон Р. Гриббин, Мэри Гриббин, Джонатан Гриббин, стр. 296, веб-ссылка
  9. ^ Прескилл, J. (1984). «Магнитные монополи» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о частицах . 34 (1): 461–530. Bibcode : 1984ARNPS..34..461P . DOI : 10.1146 / annurev.ns.34.120184.002333 .
  10. ^ «Три удивительных факта о физике магнитов» . Space.com . 2018 . Проверено 17 июля 2019 .
  11. ^ Шеллекенс, AN (2 октября 2013). «Жизнь на стыке физики элементарных частиц и теории струн». Обзоры современной физики . 85 (4): 1491–1540. arXiv : 1306,5083 . Bibcode : 2013RvMP ... 85.1491S . DOI : 10.1103 / RevModPhys.85.1491 . S2CID 118418446 . 
  12. ^ Perl, Мартин Л .; Ли, Эрик Р .; Лумба, Динеш (ноябрь 2009 г.). «Поиски фракционно заряженных частиц» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о частицах . 59 (1): 47–65. Bibcode : 2009ARNPS..59 ... 47P . DOI : 10.1146 / annurev-nucl-121908-122035 .
  13. ^ Лошмидт, J. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien . 52 (2): 395–413. Английский перевод. Архивировано 7 февраля 2006 года в Wayback Machine .
  14. ^ a b c Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н .; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант CODATA: 2006» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.10.2017. Прямая ссылка на стоимость .
  15. ^ Эль, Розмари Джин; Идэ, Аарон (1954). «Электрохимические законы Фарадея и определение эквивалентных весов». Журнал химического образования . 31 (май): 226–232. Bibcode : 1954JChEd..31..226E . DOI : 10.1021 / ed031p226 .
  16. ^ Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н. (1999). «CODATA рекомендуемые значения фундаментальных физических констант: 1998» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 28 (6): 1713–1852. Bibcode : 1999JPCRD..28.1713M . DOI : 10.1063 / 1.556049 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.10.2017.
  17. ^ Beenakker, Карло; Шененбергер, Кристиан (2006). «Квантовый дробовой шум. Колебания потока электронов сигнализируют о переходе от частиц к волновому поведению». arXiv : cond-mat / 0605025 .
  18. ^ de-Picciotto, R .; Резников, М .; Heiblum, M .; Уманский, В .; Бунин, Г .; Махалу, Д. (1997). «Прямое наблюдение дробного заряда». Природа . 389 (162–164): 162. arXiv : cond-mat / 9707289 . Bibcode : 1997Natur.389..162D . DOI : 10.1038 / 38241 . S2CID 4310360 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Основы физики , 7-е изд., Холлидей, Роберт Резник и Джерл Уокер. Вайли, 2005