Элементарный заряд
Элемента́рный электри́ческий заря́д — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда, наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц. Согласно изменениям определений основных единиц СИ равен точно 1,602 176 634⋅10−19Кл в Международной системе единиц (СИ). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.
Квантование электрического заряда
Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен одному элементарному — такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году.
Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.
- Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с электрическим зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что существование всего одного магнитного монополя влечёт за собой квантование всех электрических зарядов во Вселенной. Однако обнаружить в природе магнитный монополь не удалось.
- В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».
- Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени (скажем, топологическим). Такой подход развивается, например, в модели С. Бильсона-Томпсона, в которой фермионы Стандартной модели интерпретируются, как три ленты пространства-времени, заплетённые в косу (брэд), а электрический заряд (точнее, треть от него) соответствует перекрученной на 180° ленте. Однако несмотря на изящество таких моделей, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.
Дробный электрический заряд
С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, ±⅓ и ±⅔ элементарного. Однако подобные частицы существуют только в связанных состояниях (конфайнмент), таким образом, почти все известные свободные частицы (и все стабильные и долгоживущие) имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя рассеяние на частицах с дробным зарядом наблюдалось.
Исключением является t-кварк, его время жизни (~5·10⁻²⁵ с) настолько мало́, что он распадается раньше, чем успевает подвергнуться адронизации, и поэтому встречается только в свободном виде. Заряд t-кварка по прямым измерениям равен +⅔𝑒.
Неоднократные поиски долгоживущих свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.
Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц также может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.
Экспериментальное определение элементарного электрического заряда
Число Авогадро и постоянная Фарадея
Если известны число Авогадро 𝑁A и постоянная Фарадея 𝐹, величину элементарного электрического заряда можно вычислить, используя формулу
(другими словами, заряд одного моля электронов, делённый на число электронов в моле, равен заряду одного электрона.)
По сравнению с другими, более точными методами, этот метод не даёт высокой точности, но всё-таки точность его достаточно высока. Ниже приводятся подробности этого метода.
Значение постоянной Авогадро 𝑁A было впервые приблизительно измерено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчёту числа частиц в заданном объёме газа. Сегодня значение 𝑁A может быть определено с очень высокой точностью с использованием очень чистых кристаллов (как правило — кристаллов кремния) путём измерения расстояния между атомами с использованием дифракции рентгеновских лучей; или другим способом, с точным измерением плотности кристалла. Отсюда можно найти массу (𝑚) одного атома, а так как молярная масса (𝑀) известна, число атомов в моле может быть рассчитано так: 𝑁A = 𝑀/𝑚.
Величина 𝐹 может быть измерена непосредственно с помощью законов электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея определяют количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте электролиза существует взаимно-однозначное соответствие между количеством электронов проходящих между анодом и катодом, и количеством ионов, осевших на пластине электрода. Измеряя изменения массы анода и катода, а также общий заряд, проходящий через электролит (который может быть измерен как интеграл по времени от электрического тока), а также учитывая молярную массу ионов, можно вывести 𝐹.
Ограничения на точность метода заключается в измерении 𝐹. Лучшие экспериментальное значения имеют относительную погрешность 1,6 промилле, что примерно в тридцать раз больше, чем в других современных методах измерения и расчёта элементарного заряда.
Опыт Милликена
Известный опыт по измерению заряда электрона e. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой скоростью, что будут скомпенсированы сила тяжести, сила Стокса (производная от вязкости воздуха) и электрическая сила. Сила тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли в отсутствие электрического поля, откуда может быть определена и электрическая сила, действующая на каплю. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, пропорциональна произведению электрического заряда и известной, заданной в эксперименте, напряжённости электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. В этих опытах измеренные заряды различных капель масла оказались всегда целыми кратными одной небольшой величины, а именно e.
Дробовой шум
Любой электрический ток сопровождается от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Существование дробового шума связано с тем, что ток является не непрерывным, а состоит из дискретных электронов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Вальтером Шоттки, может давать значение е с точностью до нескольких процентов. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла.
Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга
Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов квантовой механики: эффекта Джозефсона, при котором возникают колебания напряжения в определённой сверхпроводящей структуре и квантового эффекта Холла, эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. Постоянная Джозефсона
где h — постоянная Планка, может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона.
Постоянная фон Клитцинга
может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла.
Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:
Примечания
- Elementary charge (англ.). The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. Дата обращения: 20 мая 2020. Архивировано 24 апреля 2015 года.
- В системе СГСЭ элементарный заряд равен точно 4,803 204 712 570 263 72⋅10−10Фр. Значение в единицах СГСЭ приведено как результат пересчёта значения CODATA в кулонах с учётом того факта, что кулон точно равен 2 997 924 580 единицам электрического заряда СГСЭ (франклинам или статкулонам).
- Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. — М.: Физматлит, 2006. — С. 96—105. — 368 с. — 400 экз. — ISBN 5-9221-0728-3.
- A topological model of composite preons Архивная копия от 9 ноября 2018 на Wayback Machine es.arXiv.org
- Abazov V. M. et al. (). Experimental discrimination between charge 2𝑒/3 top quark and charge 4𝑒/3 exotic quark production scenarios (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2007. — Vol. 98, no. 4. — P. 041801. — doi:10.1103/PhysRevLett.98.041801. — . — arXiv:hep-ex/0608044. — PMID 17358756.
- Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle (нем.) // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. — 1865. — Bd. 52, Nr. 2. — S. 395—413. English translation Архивировано 7 февраля 2006 года..
- Ehl R. G., Ihde A. Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights (англ.) // [англ.] : journal. — 1954. — Vol. 31, no. May. — P. 226—232. — doi:10.1021/ed031p226. — .
- Beenakker C., Schönenberger C. Quantum Shot Noise (англ.) // Physics Today. — 2003. — May (vol. 56, no. 5). — P. 37—42. — doi:10.1063/1.1583532. — arXiv:cond-mat/0605025.
- de-Picciotto R. et al. Direct observation of a fractional charge (англ.) // Nature. — 1997. — Vol. 389, no. 162—164. — P. 162. — doi:10.1038/38241. — ..
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Элементарный заряд, Что такое Элементарный заряд? Что означает Элементарный заряд?
Elementa rnyj elektri cheskij zarya d fundamentalnaya fizicheskaya postoyannaya minimalnaya porciya kvant elektricheskogo zaryada nablyudayushegosya v prirode u svobodnyh dolgozhivushih chastic Soglasno izmeneniyam opredelenij osnovnyh edinic SI raven tochno 1 602 176 634 10 19Kl v Mezhdunarodnoj sisteme edinic SI Tesno svyazan s postoyannoj tonkoj struktury opisyvayushej elektromagnitnoe vzaimodejstvie Kvantovanie elektricheskogo zaryadaLyuboj nablyudaemyj v eksperimente elektricheskij zaryad vsegda kraten odnomu elementarnomu takoe predpolozhenie bylo vyskazano B Franklinom v 1752 godu i v dalnejshem neodnokratno proveryalos eksperimentalno Vpervye elementarnyj zaryad byl eksperimentalno izmeren Millikenom v 1910 godu Tot fakt chto elektricheskij zaryad vstrechaetsya v prirode lish v vide celogo chisla elementarnyh zaryadov mozhno nazvat kvantovaniem elektricheskogo zaryada Pri etom v klassicheskoj elektrodinamike vopros o prichinah kvantovaniya zaryada ne obsuzhdaetsya poskolku zaryad yavlyaetsya vneshnim parametrom a ne dinamicheskoj peremennoj Udovletvoritelnogo obyasneniya pochemu zaryad obyazan kvantovatsya poka ne najdeno odnako uzhe poluchen ryad interesnyh nablyudenij Esli v prirode sushestvuet magnitnyj monopol to soglasno kvantovoj mehanike ego magnitnyj zaryad obyazan nahoditsya v opredelyonnom sootnoshenii s elektricheskim zaryadom lyuboj vybrannoj elementarnoj chasticy Otsyuda avtomaticheski sleduet chto sushestvovanie vsego odnogo magnitnogo monopolya vlechyot za soboj kvantovanie vseh elektricheskih zaryadov vo Vselennoj Odnako obnaruzhit v prirode magnitnyj monopol ne udalos V sovremennoj fizike elementarnyh chastic razrabatyvayutsya modeli napodobie preonnoj v kotoryh vse izvestnye fundamentalnye chasticy okazyvalis by prostymi kombinaciyami novyh eshyo bolee fundamentalnyh chastic V etom sluchae kvantovanie zaryada nablyudaemyh chastic ne predstavlyaetsya udivitelnym poskolku ono voznikaet po postroeniyu Ne isklyucheno takzhe chto vse parametry nablyudayushihsya chastic budut opisany v ramkah edinoj teorii polya podhody k kotoroj razrabatyvayutsya v nastoyashee vremya V takih teoriyah velichina elektricheskogo zaryada chastic dolzhna vychislyatsya iz krajne nebolshogo chisla fundamentalnyh parametrov vozmozhno svyazannyh so strukturoj prostranstva vremeni na sverhmalyh rasstoyaniyah Esli takaya teoriya budet postroena togda to chto my nablyudaem kak elementarnyj elektricheskij zaryad okazhetsya nekotorym diskretnym invariantom prostranstva vremeni skazhem topologicheskim Takoj podhod razvivaetsya naprimer v modeli S Bilsona Tompsona v kotoroj fermiony Standartnoj modeli interpretiruyutsya kak tri lenty prostranstva vremeni zapletyonnye v kosu bred a elektricheskij zaryad tochnee tret ot nego sootvetstvuet perekruchennoj na 180 lente Odnako nesmotrya na izyashestvo takih modelej konkretnyh obsheprinyatyh rezultatov v etom napravlenii poka ne polucheno Drobnyj elektricheskij zaryadS otkrytiem kvarkov stalo ponyatno chto elementarnye chasticy mogut obladat drobnym elektricheskim zaryadom naprimer i elementarnogo Odnako podobnye chasticy sushestvuyut tolko v svyazannyh sostoyaniyah konfajnment takim obrazom pochti vse izvestnye svobodnye chasticy i vse stabilnye i dolgozhivushie imeyut elektricheskij zaryad kratnyj elementarnomu hotya rasseyanie na chasticah s drobnym zaryadom nablyudalos Isklyucheniem yavlyaetsya t kvark ego vremya zhizni 5 10 s nastolko malo chto on raspadaetsya ranshe chem uspevaet podvergnutsya adronizacii i poetomu vstrechaetsya tolko v svobodnom vide Zaryad t kvarka po pryamym izmereniyam raven 𝑒 Neodnokratnye poiski dolgozhivushih svobodnyh obektov s drobnym elektricheskim zaryadom provodimye razlichnymi metodikami v techenie dlitelnogo vremeni ne dali rezultata Stoit odnako otmetit chto elektricheskij zaryad kvazichastic takzhe mozhet byt ne kraten celomu V chastnosti imenno kvazichasticy s drobnym elektricheskim zaryadom otvechayut za drobnyj kvantovyj effekt Holla Eksperimentalnoe opredelenie elementarnogo elektricheskogo zaryadaChislo Avogadro i postoyannaya Faradeya Esli izvestny chislo Avogadro 𝑁A i postoyannaya Faradeya 𝐹 velichinu elementarnogo elektricheskogo zaryada mozhno vychislit ispolzuya formulu e FNA displaystyle e frac F N mathrm A dd drugimi slovami zaryad odnogo molya elektronov delyonnyj na chislo elektronov v mole raven zaryadu odnogo elektrona Po sravneniyu s drugimi bolee tochnymi metodami etot metod ne dayot vysokoj tochnosti no vsyo taki tochnost ego dostatochno vysoka Nizhe privodyatsya podrobnosti etogo metoda Znachenie postoyannoj Avogadro 𝑁A bylo vpervye priblizitelno izmereno Iogannom Jozefom Loshmidtom kotoryj v 1865 godu opredelil na gazokineticheskoj osnove razmer molekul vozduha chto ekvivalentno raschyotu chisla chastic v zadannom obyome gaza Segodnya znachenie 𝑁A mozhet byt opredeleno s ochen vysokoj tochnostyu s ispolzovaniem ochen chistyh kristallov kak pravilo kristallov kremniya putyom izmereniya rasstoyaniya mezhdu atomami s ispolzovaniem difrakcii rentgenovskih luchej ili drugim sposobom s tochnym izmereniem plotnosti kristalla Otsyuda mozhno najti massu 𝑚 odnogo atoma a tak kak molyarnaya massa 𝑀 izvestna chislo atomov v mole mozhet byt rasschitano tak 𝑁A 𝑀 𝑚 Velichina 𝐹 mozhet byt izmerena neposredstvenno s pomoshyu zakonov elektroliza Faradeya Zakony elektroliza Faradeya opredelyayut kolichestvennye sootnosheniya osnovannye na elektrohimicheskih issledovaniyah opublikovannyh Majklom Faradeem v 1834 godu V eksperimente elektroliza sushestvuet vzaimno odnoznachnoe sootvetstvie mezhdu kolichestvom elektronov prohodyashih mezhdu anodom i katodom i kolichestvom ionov osevshih na plastine elektroda Izmeryaya izmeneniya massy anoda i katoda a takzhe obshij zaryad prohodyashij cherez elektrolit kotoryj mozhet byt izmeren kak integral po vremeni ot elektricheskogo toka a takzhe uchityvaya molyarnuyu massu ionov mozhno vyvesti 𝐹 Ogranicheniya na tochnost metoda zaklyuchaetsya v izmerenii 𝐹 Luchshie eksperimentalnoe znacheniya imeyut otnositelnuyu pogreshnost 1 6 promille chto primerno v tridcat raz bolshe chem v drugih sovremennyh metodah izmereniya i raschyota elementarnogo zaryada Opyt Millikena Osnovnaya statya Opyt Millikena Izvestnyj opyt po izmereniyu zaryada elektrona e Malenkaya kaplya masla v elektricheskom pole budet dvigatsya s takoj skorostyu chto budut skompensirovany sila tyazhesti sila Stoksa proizvodnaya ot vyazkosti vozduha i elektricheskaya sila Sila tyazhesti i Stoksa mogut byt rasschitany ishodya iz razmera i skorosti padeniya kapli v otsutstvie elektricheskogo polya otkuda mozhet byt opredelena i elektricheskaya sila dejstvuyushaya na kaplyu Poskolku elektricheskaya sila v svoyu ochered proporcionalna proizvedeniyu elektricheskogo zaryada i izvestnoj zadannoj v eksperimente napryazhyonnosti elektricheskogo polya elektricheskij zaryad kapli masla mozhet byt tochno vychislen V etih opytah izmerennye zaryady razlichnyh kapel masla okazalis vsegda celymi kratnymi odnoj nebolshoj velichiny a imenno e Drobovoj shum Osnovnaya statya Drobovoj shum Lyuboj elektricheskij tok soprovozhdaetsya ot razlichnyh istochnikov odnim iz kotoryh yavlyaetsya drobovoj shum Sushestvovanie drobovogo shuma svyazano s tem chto tok yavlyaetsya ne nepreryvnym a sostoit iz diskretnyh elektronov kotorye poocheryodno postupayut na elektrod Putyom tshatelnogo analiza shuma toka mozhet byt vychislen zaryad elektrona Etot metod vpervye predlozhennyj Valterom Shottki mozhet davat znachenie e s tochnostyu do neskolkih procentov Tem ne menee on byl ispolzovan v pervom pryamom nablyudenii Laflinom kvazichastic prichastnyh k drobnomu kvantovomu effektu Holla Effekt Dzhozefsona i konstanta fon Klitcinga Drugim tochnym metodom izmereniya elementarnogo zaryada yavlyaetsya vychislenie ego iz nablyudeniya dvuh effektov kvantovoj mehaniki effekta Dzhozefsona pri kotorom voznikayut kolebaniya napryazheniya v opredelyonnoj sverhprovodyashej strukture i kvantovogo effekta Holla effekta kvantovaniya hollovskogo soprotivleniya ili provodimosti dvumernogo elektronnogo gaza v silnyh magnitnyh polyah i pri nizkih temperaturah Postoyannaya Dzhozefsona KJ 2eh displaystyle K mathrm J frac 2e h gde h postoyannaya Planka mozhet byt izmerena neposredstvenno s pomoshyu effekta Dzhozefsona Postoyannaya fon Klitcinga RK he2 displaystyle R mathrm K frac h e 2 mozhet byt izmerena neposredstvenno s pomoshyu kvantovogo effekta Holla Iz etih dvuh konstant mozhet byt vychislena velichina elementarnogo zaryada e 2RKKJ displaystyle e frac 2 R mathrm K K mathrm J PrimechaniyaElementary charge angl The NIST Reference on Constants Units and Uncertainty US National Institute of Standards and Technology Data obrasheniya 20 maya 2020 Arhivirovano 24 aprelya 2015 goda V sisteme SGSE elementarnyj zaryad raven tochno 4 803 204 712 570 263 72 10 10Fr Znachenie v edinicah SGSE privedeno kak rezultat pereschyota znacheniya CODATA v kulonah s uchyotom togo fakta chto kulon tochno raven 2 997 924 580 edinicam elektricheskogo zaryada SGSE franklinam ili statkulonam Tomilin K A Fundamentalnye fizicheskie postoyannye v istoricheskom i metodologicheskom aspektah M Fizmatlit 2006 S 96 105 368 s 400 ekz ISBN 5 9221 0728 3 A topological model of composite preons Arhivnaya kopiya ot 9 noyabrya 2018 na Wayback Machine es arXiv org Abazov V M et al Experimental discrimination between charge 2𝑒 3 top quark and charge 4𝑒 3 exotic quark production scenarios angl Physical Review Letters journal 2007 Vol 98 no 4 P 041801 doi 10 1103 PhysRevLett 98 041801 Bibcode 2007PhRvL 98d1801A arXiv hep ex 0608044 PMID 17358756 Loschmidt J Zur Grosse der Luftmolekule nem Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 1865 Bd 52 Nr 2 S 395 413 English translation Arhivirovano 7 fevralya 2006 goda Ehl R G Ihde A Faraday s Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights angl angl journal 1954 Vol 31 no May P 226 232 doi 10 1021 ed031p226 Bibcode 1954JChEd 31 226E Beenakker C Schonenberger C Quantum Shot Noise angl Physics Today 2003 May vol 56 no 5 P 37 42 doi 10 1063 1 1583532 arXiv cond mat 0605025 ispravit de Picciotto R et al Direct observation of a fractional charge angl Nature 1997 Vol 389 no 162 164 P 162 doi 10 1038 38241 Bibcode 1997Natur 389 162D
