Экспериментальное определение величины элементарного электрического заряда кто открыл
Перейти к содержимому

Экспериментальное определение величины элементарного электрического заряда кто открыл

  • автор:

Методы определения элементарного электрического заряда (стр. 1 из 4)

ЭЛЕКТРОН — первая по времени открытия элементарная частица; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе; составная часть атома.

Заряд электрона — 1,6021892 . 10 -19 Кл

— 4,803242 . 10 -10 ед. СГСЭ

Масса электрона 9,109534 . 10 -31 кг

Удельный заряд e/me 1,7588047 . 10 11 Кл . кг -1

Спин электрона равен 1/2 (в единицах h) и имеет две проекции ±1/2; электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака, фермионы. На них действует принцип запрета Паули.

Магнитный момент электрона равен — 1,00116 mб, где mб — магнетон Бора.

Электрон стабильная частица. Согласно экспериментальным данным, время жизни te > 2 . 10 22 лет.

Не участвует в сильном взаимодействии, лептон. Современная физика рассматривает электрон как истинно элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами. Если последние и отличны от нуля, то радиус электрона re < 10 -18 м

Открытие электрона явилось результатом многочисленных экспериментов. К началу XX в. существование электрона было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный целыми национальными школами, электрон оставался гипотетической частицей, ибо опыт еще не ответил на ряд фундаментальных вопросов. В действительности «открытие» электрона растянулось более чем на полстолетия и не завершилось в 1897 году; в нем принимало участие множество ученых и изобретателей.

Прежде всего не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Элементарный заряд вычислялся на основании измерений микроскопического заряда в предположении справедливости ряда гипотез.

Неопределенность была в принципиально важном пункте. Сначала электрон появился как результат атомистического истолкования законов электролиза, затем он был обнаружен в газовом разряде. Было не ясно, имеет ли физика в действительности дело с одним и тем же объектом. Большая группа скептически настроенных естествоиспытателей считала, что элементарный заряд представляет собой статистическое среднее зарядов самой разнообразной величины. Тем более что ни один из опытов по измерению заряда электрона не давал строго повторяющихся значений.
Были скептики, которые вообще игнорировали открытие электрона. Академик А.Ф. Иоффе в воспоминаниях о своем учителе В.К. Рентгене писал: «До 1906 — 1907 гг. слово электрон не должно было произноситься в физическом институте Мюнхенского университета. Рентген считал его недоказанной гипотезой, применяемой часто без достаточных оснований и без нужды».

Не был решен вопрос о массе электрона, не доказано, что и на проводниках, и на диэлектриках заряды состоят из электронов. Понятие «электрон» не имело однозначного толкования, ибо эксперимент не раскрыл еще структуры атома (планетарная модель Резерфорда появится в 1911 г., а теория Бора — в 1913г.).

Электрон не вошел еще и в теоретические построения. В электронной теории Лоренца фигурировала непрерывно распределенная плотность заряда. В теории металлической проводимости, развитой Друде, речь шла о дискретных зарядах, но это были произвольные заряды, на значение которых не накладывалось никаких ограничений.

Электрон еще не вышел из рамок «чистой» науки. Напомним, что первая электронная лампа появилась только в 1907 г. Для перехода от веры к убеждению необходимо было прежде всего изолировать электрон, изобрести метод непосредственного и точного измерения элементарного заряда.

Решение этой задачи не заставило себя ждать. В 1752 г была впервые высказана мысль о дискретности электрического заряда Б. Франклином. Экспериментально дискретность зарядов была обоснована законами электролиза, открытыми М. Фарадеем в 1834 г. Числовое значение элементарного заряда ( наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе ) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Милликеном в классических опытах, выполненных в 1908 — 1916 гг. Эти опыты дали также неопровержимое доказательство атомизма электричества. Согласно основным представлениям электронной теории заряд какого-либо тела возникает в результате изменения содержащегося в нём количества электронов ( или положительных ионов, величина заряда которых кратна заряду электрона ). Поэтому заряд любого тела должен изменяться скачкообразно и такими порциями, которые содержат целое число зарядов электрона. Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона ( элементарный заряд ) используя метод масляных капель. В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е .

Если отвлечься от того, что предшествовало открытию первой элементарной частицы — электрона, и от того, что сопутствовало этому выдающемуся событию, можно сказать кратко: в 1897 году известный английский физик ТОМСОН Джозеф Джон (1856-1940 гг.) измерил удельный заряд q/m катодно-лучевых частиц — «корпускул», как он их назвал, по отклонению катодных лучей *) в электрическом и магнитном полях [1].

Из сопоставления полученного числа с известным в то время удельным зарядом одновалентного иона водорода, путем косвенных рассуждений он пришел к выводу, что масса этих частиц, получивших позднее название «электроны», значительно меньше (более чем в тысячу раз) массы самого легкого иона водорода.

В том же, 1897 году он выдвинул гипотезу, что электроны являются составной частью атомов, а катодные лучи — не атомы или не электромагнитное излучение, как считали некоторые исследователи свойств лучей. Томсон писал: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния. ; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все элементы» [2].

С 1897 года корпускулярная модель катодных лучей стала завоевывать общее признание, хотя о природе электричества были самые разнообразные суждения. Так, немецкий физик Э.Вихерт считал, что «электричество есть нечто воображаемое, существующее реально только в мыслях», а известный английский физик лорд Кельвин в том же, 1897 году писал об электричестве как о некой «непрерывной жидкости» [1].

Мысль Томсона о катодно-лучевых корпускулах как об основных компонентах атома не была встречена с большим энтузиазмом. Некоторые его коллеги решили, что он мистифицировал их, когда высказал предположение о том, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома. Истинная роль томсоновских корпускул в структуре атома могла быть понята в сочетании с результатами других исследований, в частности, с результатами анализа спектров и изучения радиоактивности.

29 апреля 1897 года Томсон сделал свое знаменитое сообщение на заседании Лондонского королевского общества. Точное время открытия электрона — день и час — невозможно назвать в виду его своеобразия. Это событие стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж.Дж.Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным. В 1903 году он предложил одну из первых моделей атома — «пудинг с изюмом», а в 1904 предположил, что электроны в атоме разделяются на группы, образуя различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов.

Место открытия точно известно — Кавендишская лаборатория (Кембридж, Великобритания). Созданная в 1870 году Дж.К.Максвеллом, в последующие сто лет она стала «колыбелью» целой цепи блестящих открытий в различных областях физики, особенно в атомной и ядерной. Директорами её были: Максвелл Дж.К. — с 1871 по 1879 год, лорд Рэлей — с 1879 по 1884 год, Томсон Дж.Дж. — с 1884 по 1919 год, Резерфорд Э. — с 1919 по 1937 год, Брэгг Л. — с 1938 по 1953; заместителем директора в 1923-1935 годах — Чэдвик Дж.

Научные экспериментальные исследования проводилось одним ученым или небольшой группой в атмосфере творческого поиска. Лоурэнс Брэгг вспоминал впоследствии о своей работе в 1913 году вместе с отцом, Генри Брэггом: «Это было замечательное время, когда новые захватывающие результаты получали почти каждую неделю, подобно открытию новых золотоносных районов, где самородки можно подбирать прямо с земли. Это продолжалось вплоть до начала войны *) , прекратившей нашу совместную работу» [3].

3.Методы открытия электрона:

Джозеф Джон ТОМСОН Joseph John Thomson, 1856–1940

Английский физик, более известный просто как Дж. Дж. Томсон. Родился в Читем-Хилле (Cheetham Hill), пригороде Манчестера, в семье букиниста-антиквара. В 1876 году выиграл стипендию на обучение в Кембридже. В 1884-1919 годах — профессор кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета и по совместительству — руководитель Кавендишской лаборатории, которая усилиями Томсона превратилась в один из самых известных научно-исследовательских центров мира. Одновременно в 1905-1918 годах — профессор Королевского института в Лондоне. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы», которая, естественно, включает и открытие электрона. Сын Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) также со временем стал Нобелевским лауреатом по физике — в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

элементарный электрический заряд

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е) одна из основных фундаментальных физ. постоянных, представляющая единичный по модулю электрический заряд (см. (4)), которым может обладать тело или элементарная (см.) в свободном состоянии. Элементарный электрический заряд равен заряду (см.)… … Большая политехническая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е) минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, величина которого е 4,8.10 10 единиц СГСЭ, или 1,6.10 19 Кл. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е или е (исключение некоторые резонансы с зарядом, кратным… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е), наименьший электрич. заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда эл на: е=4,803250(21) •10 10 ед. СГСЭ=1,6021892(46) •10 19 К. Почти все элем. ч цы обладают электрич. зарядом +е или е или явл. незаряженными (исключение нек … Физическая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — ( е) наименьший электрич. заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда электрона: е = 4,803250(21)·10 10 ед СГСЭ= 1,6021892(46)·10 19 Кл. Почти все элементарные частицы обладают электрич. зарядом + е или е (или не заряжены),… … Физическая энциклопедия

Элементарный электрический заряд — свойство электрона и протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и взаимодействие с внешним электрическим полем, определяемое для электрона и протона равными числовыми значениями с противоположными знаками. … … Официальная терминология

элементарный электрический заряд — Свойство электрона и протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и взаимодействие с внешним электрическим полем, определяемое для электрона и протона равными числовыми значениями с противоположными знаками.… … Справочник технического переводчика

Элементарный электрический заряд — Элементарный электрический заряд  фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 565(35)·10−19 Кл[1] в Международной системе единиц (СИ) ( 4,806 529 695(105)·10−10 ед.… … Википедия

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elementariosios elektromagnetinės sąveikos konstantą apibūdinantis dydis. Žymimas e. Yra teigiamasis (pvz., protono, pozitrono) ir neigiamasis (pvz.,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Mažiausias gamtoje tiesiogiai stebimas teigiamasis arba neigiamasis elektros krūvis; viena fizikinių konstantų. Protono elektros krūvis e, elektrono krūvis… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. elementary charge vok. elektrische Elementarladung, f rus. элементарный электрический заряд, m pranc. charge élémentaire, f … Fizikos terminų žodynas

§ 1.22. Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Первые наиболее точные опыты по измерению заряда электрона были осуществлены американским физиком Р. Милликеном (1868—1953) в 1906—1916 гг. и независимо от него в 1913 г. отечественным ученым А. Ф. Иоффе.

Милликен поставил смелую для того времени задачу: измерить электрический заряд отдельных мелких капелек масла. Для этого нужно было очень точно измерить силу, действующую на заряд порядка 10 -19 Кл в электрическом поле напряженностью до 10 6 В/м — самом сильном поле, при котором еще не наступает пробой воздуха. Эта сила составляет всего лишь 10 -13 Н и действует на капельку массой около 10 -12 г.

Установка Милликена изображена на рисунке 1.91. Между параллельными пластинами М и N создавалось однородное электрическое поле напряженностью 5 • 10 3 В/м. Она определялась отношением напряжения между пластинами к расстоянию между ними. В это поле с помощью распылителя D впрыскивались капельки масла. Масло имеет низкое давление насыщенных паров, и поэтому испарением капелек за время опыта можно пренебречь. Весь прибор помещался внутрь защитного кожуха G, чтобы температура и давление воздуха оставались строго постоянными.

При распылении масла капельки электризовались и двигались под влиянием силы тяжести и электрического поля. За движением капелек можно наблюдать в микроскоп через специальное окошко.

Сначала измерялась скорость υ0 установившегося падения капли под действием силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Сила сопротивления при небольших скоростях прямо пропорциональна скорости: Fс = kυ0. Затем создавалось электрическое поле между пластинами, заставлявшее капельку подниматься вверх, и измерялась скорость установившегося движения капельки под действием электрического поля, силы тяжести и силы сопротивления воздуха.

В первом случае скорость падения капельки υ0 определяется уравнением:

где а — радиус капельки; V — ее объем; ρ — плотность масла; ρ0 — плотность воздуха. Здесь учитывается выталкивающая сила, действующая на капельку со стороны воздуха.

При создании электрического поля (рис. 1.92) уравнение установившегося движения капельки примет форму

Из формул (1.22.1) и (1.22.2) можно определить значение заряда капельки:

Коэффициент k для установившегося движения сферического тела с небольшой скоростью определяется формулой Стокса, известной из механики:

где η — вязкость воздуха.

Радиус капельки настолько мал, что измерить его с помощью микроскопа нельзя. В поле зрения микроскопа видна лишь ярко светящаяся звездочка, которая появляется в результате рассеяния света на капельке. Милликен определял радиус капельки с помощью уравнения (1.22.1), Подставив в это уравнение коэффициент η из формулы (1.22.4), получим:

После подстановки выражений (1.22.4) и (1.22.5) в уравнение (1.22.3) получим для определения заряда капельки формулу:

Облучая капельки масла в воздухе рентгеновскими лучами малой интенсивности, Милликен наблюдал скачкообразное изменение скорости установившегося движения капельки в электрическом поле. Это свидетельствовало о том, что заряд капельки под действием рентгеновских лучей менялся прерывно.

Заряду электрона соответствовало минимальное значение заряда q капельки, определяемое формулой (1.22.6).

На протяжении многих лет Милликен совершенствовал свой прибор и уточнял результаты измерений. Им было учтено отступление от формулы Стокса (1.22.4) для капелек очень малого размера, когда их радиус приближается к длине свободного пробега молекул воздуха. В этом случае воздух уже нельзя рассматривать как сплошную среду.

В результате многочисленных опытов Милликен пришел к значению модуля заряда электрона е = 1,6 • 10 -19 Kл. Несколько меньшее значение заряда по сравнению с современными данными получилось из-за того, что были использованы заниженные значения вязкости воздуха. По современным данным значение элементарного заряда равно:

Экспериментальное определение величины элементарного электрического заряда кто открыл

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е) одна из основных фундаментальных физ. постоянных, представляющая единичный по модулю электрический заряд (см. (4)), которым может обладать тело или элементарная (см.) в свободном состоянии. Элементарный электрический заряд равен заряду (см.)… … Большая политехническая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е) минимальный электрический заряд, положительный или отрицательный, величина которого е 4,8.10 10 единиц СГСЭ, или 1,6.10 19 Кл. Почти все заряженные элементарные частицы имеют заряд е или е (исключение некоторые резонансы с зарядом, кратным… … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — (е), наименьший электрич. заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда эл на: е=4,803250(21) •10 10 ед. СГСЭ=1,6021892(46) •10 19 К. Почти все элем. ч цы обладают электрич. зарядом +е или е или явл. незаряженными (исключение нек … Физическая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД — ( е) наименьший электрич. заряд, положительный или отрицательный, равный величине заряда электрона: е = 4,803250(21)·10 10 ед СГСЭ= 1,6021892(46)·10 19 Кл. Почти все элементарные частицы обладают электрич. зарядом + е или е (или не заряжены),… … Физическая энциклопедия

Элементарный электрический заряд — свойство электрона и протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и взаимодействие с внешним электрическим полем, определяемое для электрона и протона равными числовыми значениями с противоположными знаками. … … Официальная терминология

элементарный электрический заряд — Свойство электрона и протона, характеризующее их взаимосвязь с собственным электрическим полем и взаимодействие с внешним электрическим полем, определяемое для электрона и протона равными числовыми значениями с противоположными знаками.… … Справочник технического переводчика

Элементарный электрический заряд — Элементарный электрический заряд  фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 565(35)·10−19 Кл[1] в Международной системе единиц (СИ) ( 4,806 529 695(105)·10−10 ед.… … Википедия

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Elementariosios elektromagnetinės sąveikos konstantą apibūdinantis dydis. Žymimas e. Yra teigiamasis (pvz., protono, pozitrono) ir neigiamasis (pvz.,… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Mažiausias gamtoje tiesiogiai stebimas teigiamasis arba neigiamasis elektros krūvis; viena fizikinių konstantų. Protono elektros krūvis e, elektrono krūvis… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

элементарный электрический заряд — elementarusis elektros krūvis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. elementary charge vok. elektrische Elementarladung, f rus. элементарный электрический заряд, m pranc. charge élémentaire, f … Fizikos terminų žodynas

Элементарный заряд

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) это 4.803 204 25 (10) × 10 −10 статкулонов . [3]

Заставить значение элементарного заряда точным следует , что величина х 0 ( электрических постоянная ), который было точное значением до того , в настоящее время при условии экспериментального определения: ε 0 имело точно определенное значение до 2019 SI переопределения, после чего со временем стал предметом экспериментального уточнения. [4] Комитеты СИ ( CGPM , CIPM и т. Д.) 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.

Как единое целое

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 . [6] 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 электрона все 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 .

Квантование

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

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

    , 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, либо
  • 1 / 3 e можно с полным основанием считать « квантом заряда», в зависимости от контекста. Эта соизмеримость зарядов, «квантование зарядов», частично мотивировала Теории Великого Объединения . — 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?

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. [7] 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

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. [8] [9] В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничиваются целыми зарядами; Большая часть теории струн допускает дробные заряды. [10] [11]

Экспериментальные измерения элементарного заряда

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

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея

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 подсчету количества частиц в данном объеме газа. [12] 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 моле можно вычислить: N A = M / m . [13]

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. [14] В эксперименте по электролизу существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через анод-катодную проволоку, и ионы, которые накапливаются 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 . [13]

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. [13] [15]

Эксперимент с каплей нефти

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

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. [16] Однако он был использован в первом прямом наблюдении квазичастиц Лафлина , участвующих в дробном квантовом эффекте Холла . [17]

Из констант Джозефсона и фон Клитцинга

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 .

Его можно измерить напрямую, используя квантовый эффект Холла .

Из этих двух констант можно вывести элементарный заряд:

CODATA метод

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.

Элементарный электрический заряд

— 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[3].

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[4], 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.

Новые технологии

Физикам, открывшим электрон, пришлось ждать несколько десятков лет до тех пор, пока их открытие было применено на практике. В наше время технологии находят использование уже через несколько лет, достаточно вспомнить графен – удивительный материал, состоящий из атомов углерода в один слой. Чем будет полезно расщепление электрона? Ученые предрекают создание квантового компьютера, скорость которого, по их мнению, в несколько десятков раз больше, чем у самых мощных современных ЭВМ.

В чем тайна квантовой компьютерной технологии? Это можно назвать простой оптимизацией. В привычном компьютере минимальная, неделимая часть информации – это бит. И если мы считаем данные чем-то визуальным, то для машины варианта только два. Бит может содержать либо ноль, либо единицу, то есть части двоичного кода.

Дробный электрический заряд

С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1⁄3 и 2⁄3 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 (

1·10−25) настолько мало́, что он распадается раньше, чем успевает подвергнуться адронизации, и поэтому встречается только в свободном виде. Заряд t-кварка по прямым измерениям равен +2⁄3e

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 N

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 N

A было впервые приблизительно измерено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчету числа частиц в заданном объёме газа[6]. Сегодня значение
N
A 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:
N
A =
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[7]. 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 расчета элементарного заряда.

Опыт Милликена

Основная статья: 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

Основная статья: Дробовой шум

Любой электрический ток сопровождается электронным шумом 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[8]. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла[9].

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 определенной 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

— 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:

Свойства электрического заряда

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет выделить следующие свойства заряда:

  • Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Положительно
    заряженными называют тела, которые действуют на другие заряженные тела так же, как стекло, наэлектризованное трением о шелк.
    Отрицательно
    заряженными называют тела, которые действуют так же, как эбонит, наэлектризованный трением о шерсть. Выбор названия «положительный» для зарядов, возникающих на стекле, и «отрицательный» для зарядов на эбоните совершенно случаен.
  • Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
  • Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
  • Важным свойством электрического заряда является его дискретность
    . Это означает, что существует некоторый наименьший, универсальный, далее не делимый элементарный заряд, так что заряд
    q
    любого тела является кратным этому элементарному заряду: \(

Нигде и никогда в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление положительного электрического заряда всегда сопровождается появлением равного по модулю отрицательного заряда. Ни положительный, ни отрицательный заряд не могут исчезнуть в отдельности, они могут лишь взаимно нейтрализовать друг друга, если равны по модулю.

Так элементарные частицы способны превращаться друг в друга. Но всегда при рождении заряженных частиц наблюдается появление пары частиц с зарядами противоположного знака. Может наблюдаться и одновременное рождение нескольких таких пар. Исчезают заряженные частицы, превращаясь в нейтральные, тоже только парами. Все эти факты не оставляют сомнений в строгом выполнении закона сохранения электрического заряда.

Элементарный заряд — Elementary charge

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 . Этот элементарный заряд — фундаментальная физическая константа . 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 , по определению кулона . В системе единиц сантиметр – грамм – секунда (СГС) это 4.803 204 25 (10) × 10 −10 статкулонов .

Заставить значение элементарного заряда точным следует, что величина х 0 ( электрических постоянная ), который было точное значением до того, в настоящее время при условии экспериментального определения: ε 0 имело точно определенное значение до 2019 SI переопределения, после чего со временем стал предметом экспериментального уточнения. Комитеты СИ ( CGPM, CIPM и т. Д.) Долгое время 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 сработало, необходимо было определить фиксированные значения физических констант.

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

СОДЕРЖАНИЕ

Как единица

Элементарный заряд ( в качестве единицы из заряда )
Система единиц Атомные единицы
Единица электрический заряд
Символ e или q
Конверсии
1 е или q в . . равно .
кулон 1,602 176 634 × 10 −19
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 . Позже он предложил этому аппарату название « электрон» . В то время частица, которую мы сейчас называем электроном, еще не была открыта, и разница между электроном частицы и единицей заряда электрона все еще была нечеткой. 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 αħc ≈ 0,30282212088 √ ħc , где ℏ c >>

Квантование

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.

Расходы меньше, чем элементарный заряд

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, либо 1 / 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?

Все известные элементарные частицы, включая кварки, имеют заряды, кратные целому числу 1 / 3 е . Следовательно, можно сказать, что « квант заряда» равен 1 / 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, подобных протонам, которые имеют общие заряды, кратные 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. 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 зарядов

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. В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничиваются целыми зарядами; Большая часть теории струн допускает дробные заряды.

Экспериментальные измерения элементарного заряда

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

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея

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 одном 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. 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 кристалла. Из этой информации можно вывести массу ( m ) отдельного атома; и поскольку молярная масса ( M ) известна, количество атомов в моль может быть вычислено: N A = M / m .

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. В эксперименте по электролизу существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через провод между анодом и катодом, и ионами, покрывающими пластину. на анод или катод или 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 .

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.

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, обусловленные гравитацией и вязкостью, могут быть рассчитаны на основе размера и скорости капли масла, что позволяет рассчитать электрическую силу. 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 парила неподвижно.

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. Однако он был использован в первом прямом наблюдении квазичастиц Лафлина , участвующих в дробном квантовом эффекте Холла .

Из констант Джозефсона и фон Клитцинга

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 .

Его можно измерить напрямую, используя квантовый эффект Холла .

Из этих двух констант можно вывести элементарный заряд:

CODATA метод

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *