Элементарный электрический заряд

2025-08-08T14:01:45Z

2A00:1FA0:46D7:6C10:7146:C895:1B8D:B384:

'''Элемента́рный электри́ческий заря́д''' — [[Фундаментальные физические постоянные|фундаментальная физическая постоянная]], минимальная порция ([[квант]]) [[электрический заряд|электрического заряда]], наблюдающегося в природе у свободных долгоживущих частиц. Согласно [[изменения определений основных единиц СИ (2018)|изменениям определений основных единиц СИ]], равен точно {{nobr|1,602 176 634{{e|−19}} [[Кулон|Кл]]}}<ref>{{cite web |url=http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e |title=Elementary charge |author= |date= |work=The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty |publisher=[[Национальный институт стандартов и технологий|US National Institute of Standards and Technology]] |accessdate=2020-05-20 |lang=en |archive-date=2015-04-24 |archive-url=https://web.archive.org/web/20150424223347/http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e |url-status=live }}</ref> в [[СИ|Международной системе единиц (СИ)]]<ref>В системе [[СГСЭ]] элементарный заряд равен точно {{nobr|4,803 204 712 570 263 72{{e|−10}} [[Франклин (единица измерения)|Фр]]}}. Значение в единицах СГСЭ приведено как результат пересчёта значения CODATA в кулонах с учётом того факта, что кулон точно равен {{nobr|{{formatnum:2997924580}}}} единицам электрического заряда СГСЭ ([[Франклин (единица измерения)|франклинам]] или статкулонам).</ref>. Тесно связан с [[постоянная тонкой структуры|постоянной тонкой структуры]], описывающей [[электромагнитное взаимодействие]]<ref name="Томилин">{{книга |автор = Томилин К. А. |заглавие = Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах |место = М. |издательство =Физматлит |год = 2006 |страницы = 96—105 |страниц = 368 |isbn = 5-9221-0728-3 |тираж= 400}}</ref>.

== Квантование электрического заряда ==
''Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда [[Делимость|кратен]] одному элементарному'' — такое предположение было высказано [[Франклин, Бенджамин|Б. Франклином]] в [[1752 год]]у и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен [[Милликен, Роберт Эндрюс|Милликеном]] в [[1910 год]]у<ref name="Томилин" />.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде [[целое число|целого числа]] элементарных зарядов, можно назвать '''квантованием электрического заряда'''. При этом в классической [[электродинамика|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 [[квантовая механика|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 [[физика элементарных частиц|физике элементарных частиц]] разрабатываются модели наподобие [[преон]]ной, 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 [[единая теория поля|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 [[пространство-время|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 [[Петлевая квантовая гравитация#Петлевая гравитация и физика элементарных частиц|модели С. Бильсона-Томпсона]]<ref>[http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 A topological model of composite preons] {{Wayback|url=http://es.arxiv.org/abs/hep-ph/0503213 |date=20181109001922 }} es.arXiv.org</ref>, 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 [[кварк]]ов 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 частиц|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 [[Адронизация|адронизации]], и поэтому встречается только в свободном виде. Заряд t-кварка по прямым измерениям равен +⅔𝑒<ref>
{{статья
|автор=Abazov V. M. et al. ([[DØ Collaboration]])
|заглавие=Experimental discrimination between charge 2𝑒/3 top quark and charge 4𝑒/3 exotic quark production scenarios
|издание=[[Physical Review Letters]]
|том=98
|год=2007
|страницы=041801
|doi=10.1103/PhysRevLett.98.041801
|arxiv=hep-ex/0608044
|pmid=17358756
|номер=4
|bibcode=2007PhRvL..98d1801A
|язык=en
|тип=journal
}}</ref>.

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 [[квазичастица|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{{math|A}} и [[постоянная Фарадея]] 𝐹, величину элементарного электрического заряда можно вычислить, используя формулу
:: <math>e = \frac{F}{N_{\mathrm{A}}} </math>

(другими словами, заряд одного моля [[электрон]]ов, 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 𝑁{{math|A}} было впервые приблизительно измерено [[Иоганн Йозеф Лошмидт|Иоганном Йозефом Лошмидтом]], который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчёту числа частиц в заданном объёме газа<ref>{{статья |автор=[[Лошмидт, Иоганн Йозеф|Loschmidt J.]]|заглавие=Zur Grösse der Luftmoleküle |издание=Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien |том=52 |номер=2 |страницы=395—413 |язык=de|год=1865}} [http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Loschmidt-1865.html English translation] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20060207130125/http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Loschmidt-1865.html |date=2006-02-07 }}.</ref>. Сегодня значение 𝑁{{math|A}} может быть определено с очень высокой точностью с использованием очень чистых кристаллов (как правило — кристаллов [[кремний|кремния]]) путём измерения расстояния между атомами с использованием дифракции [[рентгеновские лучи|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 Авогадро|число атомов в моле]] может быть рассчитано так: {{nobr|𝑁{{math|A}} {{=}} 𝑀/𝑚}}.

Величина 𝐹 может быть измерена непосредственно с помощью [[законы электролиза Фарадея|законов электролиза Фарадея]]. Законы электролиза Фарадея определяют количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных [[Майкл Фарадей|Майклом Фарадеем]] в 1834 году<ref>{{статья |автор=Ehl R. G., Ihde A.|заглавие=Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights |издание={{Нп3|Journal of Chemical Education}} |том=31 |год=1954 |номер=May |страницы=226—232 |doi=10.1021/ed031p226 |bibcode=1954JChEd..31..226E |язык=en |тип=journal }}</ref>. В эксперименте [[электролиз]]а 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 [[электрический ток|электрического тока]]), а также учитывая [[молярная масса|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 ===
{{main|Опыт Милликена}}
Известный опыт по измерению заряда [[электрон]]а {{math|''e''}}. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой [[скорость]]ю, что будут скомпенсированы [[Ускорение свободного падения|сила тяжести]], [[Закон Стокса|сила Стокса]] (производная от вязкости воздуха) и [[Электромагнитное взаимодействие|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 {{math|''e''}}.

=== Дробовой шум ===
{{main|Дробовой шум}}
Любой [[электрический ток]] сопровождается [[электронный шум|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 [[электрон]]ов, которые поочерёдно поступают на электрод. Путём тщательного анализа шума тока может быть вычислен заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный [[Вальтер Шоттки|Вальтером Шоттки]], может давать значение {{math|''е''}} с точностью до нескольких процентов<ref>{{cite doi|10.1063/1.1583532}}</ref>. Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении [[Лафлин, Роберт|Лафлином]] [[квазичастица|квазичастиц]], причастных к [[Дробный квантовый эффект Холла|дробному квантовому эффекту Холла]]<ref>{{статья |автор=de-Picciotto R. et al. |заглавие=Direct observation of a fractional charge|издание=Nature |том=389 |год=1997 |номер=162—164 |страницы=162 |doi=10.1038/38241 |bibcode=1997Natur.389..162D |язык=en }}.</ref>.

=== Эффект Джозефсона и константа фон Клитцинга ===
Другим точным методом измерения элементарного заряда является вычисление его из наблюдения двух эффектов [[квантовая механика|квантовой механики]]: [[эффект Джозефсона|эффекта Джозефсона]], при котором возникают колебания напряжения в определённой [[сверхпроводимость|сверхпроводящей]] структуре и [[квантовый эффект Холла|квантового эффекта Холла]], эффекта квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях и при низких температурах. [[Постоянная Джозефсона]]
: <math>K_\mathrm{J} = \frac{2e}{h},</math>
где {{math|''h''}} — [[постоянная Планка]], может быть измерена непосредственно с помощью [[эффект Джозефсона|эффекта Джозефсона]].

[[Постоянная фон Клитцинга]]
: <math>R_\mathrm{K} = \frac{h}{e^2}</math>
может быть измерена непосредственно с помощью [[квантовый эффект Холла|квантового эффекта Холла]].

Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:
: <math>e = \frac{2}{R_\mathrm{K} K_\mathrm{J}}.</math>

== Примечания ==
{{Примечания}}

[[Категория:Электричество]]
[[Категория:Физические константы]]
[[Категория:Единицы измерения электрического заряда]]
[[Категория:Единицы измерения в физике элементарных частиц]]
[[Категория:Атомная система единиц]]

wiki12 - Вклад [ru]

Элементарный электрический заряд