Элементарны электрычны зарад

З пляцоўкі Вікіпедыя
Перайсці да: рух, знайсці

Элементарны электрычны зарад - фундаментальная фізічная пастаянная, мінімальная порцыя (квант) электрычнага зарада. Роўны прыблізна 1,602176565(35)·10-19 Кл [1] ў Міжнароднай сістэме адзінак (СІ) (4,803529695(105)·10-10 адз. СГСЭ ў сістэме СГС). Цесна звязаны з пастаяннай тонкай структуры, якая апісвае электрамагнітнае ўзаемадзеянне [2].

Квантаванне электрычнага зарада[правіць | правіць зыходнік]

Любы назіраны ў эксперыменце электрычны зарад заўсёды кратны элементарнаму - такое меркаванне было выказана Б. Франклінам ў 1752 годзе і ў далейшым неаднаразова правяралася эксперыментальна. Упершыню элементарны зарад быў эксперыментальна вымераны Мілікенам ў 1910 годзе [2].

Той факт, што электрычны зарад сустракаецца ў прыродзе толькі ў выглядзе цэлага ліку элементарных зарадаў, можна назваць квантаваннем электрычнага зарада. Пры гэтым у класічнай электрадынаміцы пытанне аб прычынах квантавання зарада не абмяркоўваецца, паколькі зарад з'яўляецца знешніх параметрам, а не дынамічнай зменнай. Здавальняючага тлумачэння, чаму зарад абавязаны квантавацца, пакуль не знойдзена, аднак ужо атрыманы шэраг цікавых назіранняў.

  • Калі ў прыродзе існуе магнітны манаполь, то, згодна з квантавай механікай, яго магнітны зарад абавязаны знаходзіцца ў пэўных суадносінах з зарадам любой абранай элементарнай часціцы. Адсюль аўтаматычна вынікае, што адно толькі існаванне магнітнага манаполя цягне за сабой квантаванне зарада. Аднак выявіць у прыродзе магнітныя манаполі не ўдалося.
  • У сучаснай фізіцы элементарных часціц распрацоўваюцца мадэлі накшталт преоннай, у якіх усе вядомыя фундаментальныя часціцы аказваліся б простымі камбінацыямі новых, яшчэ больш фундаментальных часціц. У гэтым выпадку квантаванне зарада назіраных часціц не ўяўляецца дзіўным, паколькі яно ўзнікае «па пабудове».
  • Не выключана таксама, што ўсе параметры назіраных часціц будуць апісаны ў рамках адзінай тэорыі поля, падыходы да якой распрацоўваюцца ў цяперашні час. У такіх тэорыях велічыня электрычнага зарада часціц павінна вылічвацца з вельмі невялікага ліку фундаментальных параметраў, магчыма, звязаных са структурай прасторы-часу на звышмалых адлегласцях. Калі такая тэорыя будзе пабудавана, тады тое, што мы назіраем як элементарны электрычны зарад, апынецца некаторым дыскрэтным інварыянтам прасторы-часу. Аднак, канкрэтных агульнапрынятых вынікаў у гэтым кірунку пакуль не атрымана.

Дробны электрычны зарад[правіць | правіць зыходнік]

З адкрыццём кваркаў стала зразумела, што элементарныя часціцы могуць валодаць дробавым электрычным зарадам, напрыклад, 13 і 23 элементарнага. Аднак падобныя часціцы існуюць толькі ў звязаных станах, такім чынам, усе вядомыя свабодныя часціцы маюць электрычны зарад, кратны элементарнаму, хоць рассейванне на часціцах з дробным зарадам назіралася.

Неаднаразовыя пошукі свабодных аб'ектаў з дробным электрычным зарадам, якія праводзяцца рознымі методыкамі на працягу доўгага часу, не далі выніку.

Варта, аднак, адзначыць, што электрычны зарад квазічасціц можа быць не кратны цэлым. У прыватнасці, менавіта квазічасціцы з дробным электрычным зарадам адказваюць за дробны квантавы эфект Хола.

Эксперыментальнае вызначэнне элементарнага электрычнага зараду[правіць | правіць зыходнік]

З дапамогай ліку Авагадра і пастаяннай Фарадэя[правіць | правіць зыходнік]

Калі вядомыя лік Авагадра NA і пастаянная Фарадэя F, велічыню элементарнага электрычнага зарада можна вылічыць, выкарыстоўваючы формулу

e = \frac{F}{N_{\mathrm{A}}}

(Іншымі словамі, зарад аднаго молячы электронаў, дзелены на лік электронаў у Моле, роўны зараду аднаго электрона.)

У параўнанні з іншымі, больш дакладнымі метадамі, гэты метад не дае высокай дакладнасці, але ўсё-такі дакладнасць яго досыць высокая. Ніжэй прыводзяцца падрабязнасці гэтага метаду.

Значэнне пастаяннай Авагадра NA было ўпершыню апраксімаваць Іаганам Ёзэфам Лошмідтам, які ў 1865 годзе вызначыў на газакінетычнай аснове памер малекул паветра, што эквівалентна разліку ліку часціц ў зададзеным аб'ёме газу. [3] Сёння значэнне NA можа быць вызначана з вельмі высокай дакладнасцю з выкарыстаннем вельмі чыстых крышталяў (як правіла - крышталяў крэмнію) шляхам вымярэння адлегласці паміж атамамі з выкарыстаннем дыфракцыі рэнтгенаўскіх прамянёў; ці іншым спосабам, з дакладным вымярэннем шчыльнасці крышталя. Адсюль можна знайсці масу (m) аднаго атама, а так як малярная маса (M) вядомая, лік атамаў у малекуле можа быць разлічана так: NA=M/m.

Велічыня F можа быць вымераная непасрэдна з дапамогай законаў электролізу Фарадэя. Законы электролізу Фарадэя вызначаюць колькасныя суадносіны, заснаваныя на электрахімічных даследаваннях, апублікаваных Майклам Фарадэем ў 1834 годзе. [4] У эксперыменце электролізу існуе ўзаемна-адназначная адпаведнасць паміж колькасцю электронаў, якія праходзяць паміж анодам і катодам, і колькасцю іёнаў, якія аселі на пласціне электрода. Вымераючы змены масы анода і катода, а таксама агульны зарад, які праходзіць праз электраліт (які можа быць вымераны як інтэграл па часе ад электрычнага току), а таксама ўлічваючы малярныя масы іёнаў, можна вывесці F.

Абмежаванні на дакладнасць метаду складаецца ў вымярэнні F. Лепшыя эксперыментальнае значэнні маюць адносную хібнасць 1,6 праміле, што прыкладна ў трыццаць разоў больш, чым у іншых сучасных метадах вымярэння і разліку элементарнага зарада.

Вопыт Мілікена[правіць | правіць зыходнік]

Вядомы вопыт па вымярэнні зарада электрона e. Маленькая кропля алею ў электрычным полі будзе рухацца з такой хуткасцю, што будуць скампенсаваныя сілы цяжару, сілы Стокса (вытворнай ад глейкасці паветра) і электрычныя сілы адштурхвання. Сілы цяжару і Стокса могуць быць разлічаны зыходзячы з памеру і хуткасці падзення кроплі, адкуль могуць быць вызначаны і электрычныя сілы. Паколькі электрычныя сілы, у сваю чаргу, з'яўляюцца прадуктам электрычнага зарада і вядомага электрычнага поля, электрычны зарад кроплі алею можа быць дакладна вылічаны. Вымераючы зарады розных кропель алею, відавочна, што зарады з'яўляюцца цэлымі кратнымі адной невялікай велічыні, а менавіта e.

З дапамогай эфекту Джозэфсана і канстанты фон Клітцынга[правіць | правіць зыходнік]

Іншым дакладным метадам вымярэння элементарнага зарада з'яўляецца вылічэнне яго з назірання двух эфектаў квантавай механікі: эфекту Джозэфсана, пры якім узнікаюць ваганні напружання ў пэўнай звышправоднай структуры і квантавага эфекту Хола, эфекту квантавання холаўскага супраціўлення або праводнасці двухмернага электроннага газу ў моцных магнітных палях і пры нізкіх тэмпературах. Пастаянная Джозэфсана

K_\mathrm{J} = \frac{2e}{h}, дзе h - пастаянная Планка.

можа быць вымераная непасрэдна з дапамогай эфекту Джозэфсана.

Пастаянная фон Клітцынга

R_\mathrm{K} = \frac{h}{e^2},

можа быць вымераная непасрэдна з дапамогай квантавага эфекту Хола.

З гэтых двух канстант можа быць вылічаная велічыня элементарнага зарада:

e = \frac{2}{R_\mathrm{K} K_\mathrm{J}}..

Гл. таксама[правіць | правіць зыходнік]

Зноскі

  1. CODATA: Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  2. 2,0 2,1 Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах — М., 2006. — С. 368. — 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; Ihde, Aaron (1954). "Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights". Journal of Chemical Education 31 (May): 226–232. doi:10.1021/ed031p226. Bibcode1954JChEd..31..226E.