Элементарный электрический заряд
Элемента́рный электри́ческий заря́д — фундаментальная физическая постоянная, равная электрическому заряду одиночного протона, или, что то же самое, абсолютной величине заряда электрона. Согласно новому определению основных единиц СИ величина элементарного заряда равна точно 1,602 176 634⋅10−19 Кл[1] в Международной системе единиц (СИ)[2]. Наблюдаемые в природе электрические заряды кратны величине элементарного заряда. Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие[3].
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[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.
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[5].
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
- [math]\displaystyle{ e = \frac{F}{N_{\mathrm{A}}} }[/math]
(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 расчету числа частиц в заданном объёме газа[6]. 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[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
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 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 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
- [math]\displaystyle{ K_\mathrm{J} = \frac{2e}{h}, }[/math]
где h — постоянная Планка, может быть измерена непосредственно с помощью эффекта Джозефсона.
- [math]\displaystyle{ R_\mathrm{K} = \frac{h}{e^2} }[/math]
может быть измерена непосредственно с помощью квантового эффекта Холла.
Из этих двух констант может быть вычислена величина элементарного заряда:
- [math]\displaystyle{ e = \frac{2}{R_\mathrm{K} K_\mathrm{J}}. }[/math]
Примечания
- ↑ Elementary charge (англ.). The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. US National Institute of Standards and Technology. Дата обращения: 20 мая 2020.
- ↑ В системе СГСЭ элементарный заряд равен точно 4,803 204 712 570 263 72⋅10−10 Фр. 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).
- ↑ 3,0 3,1 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 (недоступная ссылка) es.arXiv.org
- ↑ Abazov V. M. et al. (DØ Collaboration). 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.) // Journal of Chemical Education : 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. — ..