Элементарный электрический заряд: различия между версиями

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Интерактивная навигация по истории
[непроверенная версия][непроверенная версия]
← Предыдущая правкаСледующая правка →
Содержимое удалено Содержимое добавлено
ВизуальныйВики-текст
Добавлен "Дробовой шум"
Строка 38: Строка 38:
===Опыт Милликена===
===Опыт Милликена===
{{main|Опыт Милликена}}
{{main|Опыт Милликена}}
Известный опыт по измерению заряда электрона ''e''. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой [[скорость|скоростью]], что будут скомпенсированы [[Ускорение свободного падения|силы тяжести]], [[Закон Стокса|силы Стокса]] (производной от вязкости воздуха), и [[Электромагнитное взаимодействие|электрические силы отталкивания]]. Силы тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли, откуда могут быть определены и электрические силы. Поскольку электрические силы, в свою очередь, являются продуктом электрического заряда и известных электрических полей, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. Измеряя заряды различных капель масла, очевидно, что заряды являются целыми кратными одной небольшой величины, а именно ''e''.
Известный опыт по измерению заряда электрона ''e''. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться с такой [[скорость|скоростью]], что будут скомпенсированы [[Ускорение свободного падения|силы тяжести]], [[Закон Стокса|силы Стокса]] (производной от вязкости воздуха) и [[Электромагнитное взаимодействие|электрические силы отталкивания]]. Силы тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли, откуда могут быть определены и электрические силы. Поскольку электрические силы, в свою очередь, являются продуктом электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. Измеряя заряды различных капель масла, очевидно, что заряды являются целыми кратными одной небольшой величины, а именно ''e''.


===Дробовой шум===

{{main|Дробовой шум}}


Любой [[электрический ток]] сопровождает [[электронный шум]] 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 [[Вальтер Шоттки|Вальтером Шоттки]], может давать значение е с точностью до нескольких процентов.<ref>{{Cite arxiv | first1 = Carlo | last1 = Beenakker | first2 = Christian | last2 = Schönenberger | title = Quantum Shot Noise. Fluctuations in the flow of electrons signal the transition from particle to wave behavior | eprint = cond-mat/0605025 | postscript = <!--None-->}}.</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>{{Cite journal | journal = Nature | volume = 389 | issue = 162–164 | year = 1997 | doi = 10.1038/38241 | title = Direct observation of a fractional charge | first1 = R. | last1 = de-Picciotto | first2 = M. | last2 = Reznikov | first3 = M. | last3 = Heiblum | first4 = V. | last4 = Umansky | first5 = G. | last5 = Bunin | first6 = D. | last6 = Mahalu | pages = 162 | postscript = <!--None-->|bibcode = 1997Natur.389..162D }}.</ref>


== См. также ==
== См. также ==

Версия от 14:51, 16 апреля 2013

Элемента́рный электри́ческий заря́д — фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 565(35)⋅10−19 Кл[1] в Международной системе единиц (СИ) ( 4,803 529 695(105)⋅10−10 ед. СГСЭ в системе СГС). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие[2].

Квантование электрического заряда

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен 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[2].

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 зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. 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. Однако, 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, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя рассеяние на частицах с дробным зарядом наблюдалось.

Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.

Стоит, однако, отметить, что электрический заряд квазичастиц может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.


Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

Посредством числа Авогадро и постоянной 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 аппроксимированно Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году определил на газокинетической основе размер молекул воздуха, что эквивалентно расчету числа частиц в заданном объеме газа.[3] Сегодня значение NA может быть определено с очень высокой точностью, используя очень чистые кристаллы (как правило кристаллы кремния ), измеряя расстояние между атомами с использованием дифракции рентгеновских лучей или другим способом и точно измеряя плотность кристалла. Отсюда можно найти массу (m) одного атома, а так как молярная масса (M) известна, число атомов в молекуле может быть рассчитана 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.[4] 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 так же 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 силы тяжести, силы Стокса (производной от вязкости воздуха) и электрические силы отталкивания. Силы тяжести и Стокса могут быть рассчитаны исходя из размера и скорости падения капли, откуда могут быть определены и электрические силы. Поскольку электрические силы, в свою очередь, являются продуктом электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд капли масла может быть точно вычислен. Измеряя заряды различных капель масла, очевидно, что заряды являются целыми кратными одной небольшой величины, а именно e.


Дробовой шум

Основная статья: Дробовой шум


Любой электрический ток сопровождает электронный шум 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.[5] Тем не менее, он был использован в первом прямом наблюдении Лафлином квазичастиц, причастных к дробному квантовому эффекту Холла.[6]

См. также

Примечания

  1. ↑ CODATA: Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  2. ↑ 1 2 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.
  3. ↑ Loschmidt, J. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. 52 (2): 395—413. English translation.
  4. ↑ Ehl, Rosemary Gene (1954). "Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights". Journal of Chemical Education. 31 (May): 226—232. Bibcode:1954JChEd..31..226E. doi:10.1021/ed031p226. {{cite journal}}: Неизвестный параметр |coauthors= игнорируется (|author= предлагается) (справка)
  5. ↑ Beenakker, Carlo; Schönenberger, Christian. "Quantum Shot Noise. Fluctuations in the flow of electrons signal the transition from particle to wave behavior". arXiv:cond-mat/0605025..
  6. ↑ de-Picciotto, R.; Reznikov, M.; Heiblum, M.; Umansky, V.; Bunin, G.; Mahalu, D. (1997). "Direct observation of a fractional charge". Nature. 389 (162—164): 162. Bibcode:1997Natur.389..162D. doi:10.1038/38241..
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Элементарный_электрический_заряд&oldid=54797375