Элементарный заряд
Элементарный заряд | |
---|---|
Общие символы | |
единица СИ | кулон |
Измерение | |
Ценить | 1.602 176 634 × 10 −19 C[ 1 ] |
Элементарный заряд , обычно обозначаемый e , является фундаментальной физической константой , определяемой как электрический заряд, переносимый одним протоном , или, что то же самое, величина отрицательного электрического заряда, переносимого одним электроном , имеющим заряд −1 e . [ 2 ] [ а ]
В системе единиц СИ величина элементарного заряда точно определяется как = 1.602 176 634 × 10 −19 кулонов , или 160,2176634 зептокулонов (zC). [ 3 ] После переопределения базовых единиц СИ в 2019 году семь базовых единиц СИ определяются семью фундаментальными физическими константами, одной из которых является элементарный заряд.
В системе единиц сантиметр–грамм–секунда (СГС) соответствующая величина равна 4,803 2047 ... × 10. −10 статкулоны . [ б ]
Роберта А. Милликена и Харви Флетчера с Эксперимент каплей масла впервые непосредственно измерил величину элементарного заряда в 1909 году, которая отличалась от современного принятого значения всего на 0,6%. [ 4 ] [ 5 ] Согласно предположениям оспариваемой тогда теории атома , элементарный заряд также был косвенно выведен с точностью ~ 3% из спектров черного тела Максом Планком в 1901 году. [ 6 ] и (через постоянную Фарадея ) с точностью до порядка величины, Иоганном Лошмидтом измеренной числа Авогадро в 1865 году.
Как единица
[ редактировать ]Элементарный заряд | |
---|---|
Система единиц | Атомные единицы |
Единица | электрический заряд |
Символ | и |
Конверсии | |
1 е в... | ... равно... |
кулоны | 1.602 176 634 × 10 −19 [ 1 ] |
( натуральные единицы ) | 0.30282212088 |
статистика | ≘ 4.803 204 25 (10) × 10 −10 |
В некоторых естественных системах единиц, таких как система атомных единиц , е функционирует как единица электрического заряда . Использование элементарного заряда в качестве единицы было предложено Джорджем Джонстоном Стоуни в 1874 году для первой системы натуральных единиц, названной единицами Стоуни . [ 7 ] название «электрон» Позже он предложил для этой единицы . В то время частица, которую мы сейчас называем электроном, еще не была открыта, и разница между частицей- электроном единицей заряда и электроном- все еще была размыта. Позднее частице было присвоено название электрон , а единица заряда е потеряла свое название. Однако единица энергии электронвольт (эВ) — это пережиток того факта, что элементарный заряд когда-то назывался электроном .
В других системах естественных единиц единица заряда определяется как в результате чего где α — постоянная тонкой структуры , c — скорость света , ε 0 — электрическая постоянная , а ħ — приведенная постоянная Планка .
Квантование
[ редактировать ]Квантование заряда — это принцип, согласно которому заряд любого объекта кратен элементарному заряду. Таким образом, заряд объекта может быть ровно 0 e , или ровно 1 e , −1 e , 2 e и т. д., но не 1/2 Из этого утверждения могут быть исключения, в зависимости e и т. д. ( или −3,8 e от того, как определяется «объект»; см. ниже.)
Это причина использования термина «элементарный заряд»: он подразумевает, что это неделимая единица заряда.
Дробный элементарный заряд
[ редактировать ]Известны два вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы .
- Кварки , впервые постулированные в 1960-х годах, обладают квантованным зарядом, но этот заряд квантуется в кратные значения. 1 / 3 е . Однако кварки не могут быть изолированы; они существуют только в группах, а стабильные группы кварков (например, протон , состоящий из трех кварков) имеют заряды, кратные e . По этой причине либо 1 e , либо 1 / 3 e можно по праву считать « квантом заряда», в зависимости от контекста. Эта соизмеримость зарядов, «квантование заряда», 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 квазичастиц с дробным зарядом . Эта теория сейчас получила широкое признание, но это не считается нарушением принципа квантования заряда, поскольку квазичастицы не являются элементарными частицами .
Количество заряда
[ редактировать ]Все известные элементарные частицы , включая кварки, имеют заряды, кратные 1 / 3 е . Следовательно, « 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 e . (Кварки не могут быть изолированы: они существуют только в коллективных состояниях, таких как протоны, которые имеют общий заряд, кратный e .) Следовательно, «квант заряда» равен e , с оговоркой, 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 двусмысленными, если не будет дано дальнейшее уточнение. С другой стороны, термин «элементарный заряд» однозначен: он относится к количеству заряда, равному заряду протона.
Отсутствие дробных начислений
[ редактировать ]Поль Дирак утверждал в 1931 году, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд должен быть квантован; однако неизвестно, существуют ли магнитные монополи на самом деле. [ 9 ] [ 10 ] В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничены целыми зарядами; Большая часть теории струн, похоже, допускает дробные заряды. [ 11 ] [ 12 ]
Экспериментальные измерения элементарного заряда
[ редактировать ]Элементарный заряд точно определен с 20 мая 2019 года в Международной системе единиц . До этого изменения элементарный заряд был измеряемой величиной, величина которой определялась экспериментально. В этом разделе суммированы эти исторические экспериментальные измерения.
С точки зрения постоянной Авогадро и постоянной Фарадея
[ редактировать ]Если постоянная Авогадро N A и постоянная Фарадея F известны независимо, значение элементарного заряда можно определить по формуле (Другими словами, заряд одного моля электронов, разделенный на количество электронов в моле, равен заряду одного электрона.)
Сегодня этот метод не является способом наиболее точных измерения значений. Тем не менее, это законный и при этом достаточно точный метод, экспериментальные методики описаны ниже.
Значение постоянной Авогадро NA . было впервые аппроксимировано Иоганном Йозефом Лошмидтом , который в 1865 году оценил средний диаметр молекул воздуха методом, эквивалентным вычислению числа 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 кристалла. Из этой информации можно вывести массу ( m ) одного атома; а так как молярная масса ( M ) известна, то число атомов в моле можно вычислить: N A = M / m .
Величину F можно измерить непосредственно, 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 провод от анода к катоду, и ионами, которые осаждаются на анод или катод или с него. Измеряя изменение массы анода или катода и общий заряд, проходящий через провод (который можно измерить как интеграл по времени от электрического тока ), а также принимая во внимание молярную массу ионов, можно вывести F . [ 1 ]
Пределом точности метода является измерение F : лучшее экспериментальное значение имеет относительную неопределенность 1,6 частей на миллион, что примерно в тридцать раз выше, чем у других современных методов измерения или расчета элементарного заряда. [ 15 ]
Эксперимент с каплями масла
[ редактировать ]Известный метод измерения e — эксперимент Милликена с каплей масла. Небольшая капля масла в электрическом поле будет двигаться со скоростью, которая уравновешивает силы гравитации , вязкости (движения по воздуху) и электрическую силу . Силы гравитации и вязкости можно рассчитать на основе размера и скорости капли масла, что позволяет вывести электрическую силу. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд капли масла можно точно вычислить. Измерив заряды множества различных капель масла, можно увидеть, что все заряды кратны одному небольшому заряду, а именно e .
От необходимости измерения размера капель масла можно избавиться, если использовать крошечные пластиковые шарики одинакового размера. Силу вязкости можно устранить, отрегулировав силу электрического поля так, чтобы сфера парила неподвижно.
Шум выстрела
[ редактировать ]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 мимо по одному. Тщательно анализируя шум тока, можно рассчитать заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Уолтером Х. Шоттки , позволяет определить значение e , точность которого ограничена несколькими процентами. [ 16 ] Однако он был использован при первом прямом наблюдении Лафлина квазичастиц , вовлеченных в дробный квантовый эффект Холла . [ 17 ]
Из констант Джозефсона и фон Клитцинга
[ редактировать ]Другой точный метод измерения элементарного заряда — это вывод его из измерений двух эффектов в квантовой механике : эффекта Джозефсона — колебаний напряжения, возникающих в некоторых сверхпроводящих структурах; и квантовый эффект Холла , квантовый эффект электронов при низких температурах, сильных магнитных полях и двумерном ограничении. Джозефсона Постоянная где h — постоянная Планка . Его можно измерить непосредственно с помощью эффекта Джозефсона .
Константа фон Клитцинга равна Его можно измерить непосредственно с помощью квантового эффекта Холла .
Из этих двух констант можно вывести элементарный заряд:
метод КОДАТА
[ редактировать ]Соотношение, используемое CODATA для определения элементарного заряда, было: где h — постоянная Планка , α — постоянная тонкой структуры , µ 0 — магнитная постоянная , ε 0 — электрическая постоянная , а c — скорость света . В настоящее время это уравнение отражает связь между ε 0 и α , тогда как все остальные являются фиксированными значениями. Таким образом, относительные стандартные неопределенности обоих будут одинаковыми.
Тесты универсальности элементарного заряда
[ редактировать ]Частица | Ожидаемый платеж | Экспериментальное ограничение | Примечания |
---|---|---|---|
электрон | точный | по определению | |
протон | не обнаружив поддающегося измерению звука при приложении переменного электрического поля к газу SF 6 в сферическом резонаторе [ 18 ] | ||
позитрон | путем объединения наилучшего измеренного значения заряда антипротона (ниже) с нижним пределом, установленным для чистого заряда антиводорода коллаборацией АЛЬФА в ЦЕРН . [ 19 ] | ||
антипротон | Хори и др. [ 20 ] как указано в списке разности зарядов антипротонов и протонов Группы данных о частицах. [ 21 ] В статье группы данных о частицах есть ссылка на текущую онлайн-версию данных о частицах. |
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Символ e избегают его использования в качестве обозначения элементарного заряда имеет еще одно полезное математическое значение, благодаря которому в теоретической физике . Например, в квантовой механике хочется иметь возможность компактно записывать плоские волны. с использованием числа Эйлера . В США число Эйлера часто обозначается e (курсивом), тогда как в Великобритании и континентальной Европе оно обычно обозначается e (римским шрифтом). Несколько сбивает с толку то, что в атомной физике e иногда обозначает заряд электрона, то есть отрицательный заряд элементарного заряда. Символ q e также используется для обозначения заряда электрона.
- ^ Это получено на основе значения CODATA 2018, поскольку один кулон соответствует ровно 2 997 924 580 статкулонам. Коэффициент пересчета в десять раз превышает числовое значение скорости света в метрах в секунду .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Значение CODATA 2022: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
- ^ Международное бюро мер и весов (20 мая 2019 г.), Международная система единиц (СИ) (PDF) (9-е изд.), ISBN 978-92-822-2272-0 , заархивировано из оригинала 18 октября 2021 г.
- ^ Ньюэлл, Дэвид Б.; Тиесинга, Эйте (2019). Международная система единиц (СИ) . Специальная публикация NIST 330. Гейтерсбург, Мэриленд: Национальный институт стандартов и технологий. дои : 10.6028/nist.sp.330-2019 . S2CID 242934226 .
- ^ Милликен, Р.А. (1910). «Выделение иона, точное измерение его заряда и исправление закона Стокса». Наука . 32 (822): 436–448. дои : 10.1126/science.32.822.436 .
- ^ Флетчер, Харви (1982). «Моя работа с Милликеном над экспериментом с каплей масла». Физика сегодня . 35 (6): 43–47. дои : 10.1063/1.2915126 .
- ^ Кляйн, Мартин Дж. (1 октября 1961 г.). «Макс Планк и начало квантовой теории» . Архив истории точных наук . 1 (5): 459–479. дои : 10.1007/BF00327765 . ISSN 1432-0657 . S2CID 121189755 .
- ^ Дж. Дж. Стоуни (1894). «Об «электроне» или атоме электричества» . Философский журнал . 5. 38 : 418–420. дои : 10.1080/14786449408620653 .
- ^ Q означает Quantum , Джон Р. Гриббин, Мэри Гриббин, Джонатан Гриббин, страница 296, веб-ссылка
- ^ Прескилл, Дж. (1984). «Магнитные монополи» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 34 (1): 461–530. Бибкод : 1984ARNPS..34..461P . дои : 10.1146/annurev.ns.34.120184.002333 .
- ^ «Три удивительных факта о физике магнитов» . Space.com . 2018 . Проверено 17 июля 2019 г.
- ^ Шеллекенс, АН (2 октября 2013 г.). «Жизнь на стыке физики элементарных частиц и теории струн». Обзоры современной физики . 85 (4): 1491–1540. arXiv : 1306.5083 . Бибкод : 2013РвМП...85.1491С . дои : 10.1103/RevModPhys.85.1491 . S2CID 118418446 .
- ^ Перл, Мартин Л.; Ли, Эрик Р.; Лумба, Динеш (ноябрь 2009 г.). «Поиски дробно заряженных частиц» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 59 (1): 47–65. Бибкод : 2009АРНПС..59...47П . doi : 10.1146/annurev-nucl-121908-122035 .
- ^ Лошмидт, Дж. (1865). «О размерах молекул воздуха». Известия Императорской академии наук в Вене . 52 (2): 395–413. Английский перевод. Архивировано 7 февраля 2006 года в Wayback Machine .
- ^ Эл, Розмари Джин; Иде, Аарон (1954). «Электрохимические законы Фарадея и определение эквивалентных весов». Журнал химического образования . 31 (май): 226–232. Бибкод : 1954JChEd..31..226E . дои : 10.1021/ed031p226 .
- ^ Мор, Питер Дж.; Тейлор, Барри Н. (1999). «Рекомендуемые CODATA значения фундаментальных физических констант: 1998 г.» (PDF) . Журнал физических и химических справочных данных . 28 (6): 1713–1852. Бибкод : 1999JPCRD..28.1713M . дои : 10.1063/1.556049 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 октября 2017 г.
- ^ Бенаккер, Карло; Шёненбергер, Кристиан (2006). «Квантовый дробовой шум». Физика сегодня . 56 (5): 37–42. arXiv : cond-mat/0605025 . дои : 10.1063/1.1583532 . S2CID 119339791 .
- ^ де-Пиччотто, Р.; Резников, М.; Хейблум, М.; Уманский, В.; Бунин Г.; Махалу, Д. (1997). «Непосредственное наблюдение дробного заряда». Природа . 389 (162–164): 162. arXiv : cond-mat/9707289 . Бибкод : 1997Nature.389..162D . дои : 10.1038/38241 . S2CID 4310360 .
- ^ Бресси, Г.; Каруньо, Г.; Делла Валле, Ф.; Галеацци, Г.; Сартори, Г. (2011). «Проверка нейтральности вещества акустическими средствами в сферическом резонаторе». Физический обзор А. 83 (5): 052101. arXiv : 1102.2766 . дои : 10.1103/PhysRevA.83.052101 . S2CID 118579475 .
- ^ Ахмади, М.; и др. (2016). «Улучшенный предел заряда антиводорода от стохастического ускорения» (PDF) . Природа . 529 (7586): 373–376. дои : 10.1038/nature16491 . ПМИД 26791725 . S2CID 205247209 . Проверено 1 мая 2022 г.
- ^ Хори, М.; и др. (2011). «Двухфотонная лазерная спектроскопия антипротонного гелия и соотношение масс антипротона и электрона». Природа . 475 (7357): 484–488. arXiv : 1304.4330 . дои : 10.1038/nature10260 . ПМИД 21796208 . S2CID 4376768 .
- ^ Олив, Калифорния; и др. (2014). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Китайская физика C . 38 (9): 090001. дои : 10.1088/1674-1137/38/9/090001 . S2CID 118395784 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Основы физики , 7-е изд., Холлидей, Роберт Резник и Джерл Уокер. Уайли, 2005 г.