Elementární náboj - Elementary charge

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Elementární elektrický náboj
Definice: Náboj z protonu
Symbol: e nebo někdy q e
Hodnota v coulombech : 1,602 176 634 × 10 −19  ° C

Elementární náboj , obvykle označován e nebo někdy q e je elektrický náboj provádí jediným protonu nebo ekvivalentně, velikost záporného elektrického náboje neseného jednoho elektronu , který má náboj -1 e . Tento elementární náboj je základní fyzickou konstantou . Aby se zabránilo záměně nad jeho znaménkem, e je někdy nazýváno elementárním kladným nábojem .

Z 2019 nové definici ze základních jednotek SI , s účinností od 20. května 2019 její hodnota je přesně 1,602 176 634 × 10 −19  C , podle definice coulomba . V systému jednotek centimetrů -gramů -sekund (CGS) ano4,803 204 25 (10) × 10 −10  statcoulombů .

Přesné stanovení hodnoty elementárního náboje znamená, že hodnota ε 0 ( elektrická konstanta ), což byla dříve přesná hodnota, nyní podléhá experimentálnímu stanovení: ε 0 měla přesně definovanou hodnotu až do redefinice SI 2019, poté se postupem času stal předmětem experimentálního zdokonalování. Výbory SI ( CGPM , CIPM atd.) Dlouho uvažovaly o předefinování základních jednotek SI zcela z hlediska fyzických konstant, aby se odstranila jejich závislost na fyzických artefaktech (jako je Mezinárodní prototyp kilogramu ): aby to fungovalo, bylo nutné definovat pevné hodnoty pro fyzické konstanty.

Experiment Robert A. Millikana s kapkou oleje poprvé změřil velikost elementárního náboje v roce 1909.

Jako jednotka

Elementární náboj (jako jednotka z poplatku )
Systém jednotek Atomové jednotky
Jednotka elektrický náboj
Symbol e nebo q
Konverze
1 e nebo q v ... ... je rovný ...
   coulomb    1,602 176 634 × 10 −19
   statcoulomb    4,803 204 25 (10) × 10 −10
   HEP : ħc    0,30282212088
   MeVfm    1,4399764

V některých přirozených jednotkových systémech, jako je systém atomových jednotek , e funguje jako jednotka elektrického náboje, tj. E se v těchto jednotkových systémech rovná 1 e. Použití elementárního náboje jako jednotky propagoval George Johnstone Stoney v roce 1874 pro první systém přírodních jednotek , nazývaný Stoney jednotky . Později navrhl pro tuto jednotku název elektron . V té době ještě nebyla objevena částice, kterou nyní nazýváme elektron, a rozdíl mezi částicovým elektronem a jednotkou elektronu náboje byl stále rozmazaný. Později byl částici přiřazen název elektron a jednotka náboje e ztratila jméno. Jednotka energie elektronvolt nám však připomíná, že elementární náboj byl kdysi nazýván elektron .

V jednotkách Lorentz – Heaviside je nabíjecí jednotka závislá , takže e = 4 π αħc ≈ 0,30282212088 ħc , kde

α je konstanta jemné struktury , c je rychlost světla , je snížená Planckova konstanta .

Kvantizace

Kvantizace náboje je princip, že náboj jakéhokoli objektu je celočíselným násobkem elementárního náboje. Náboj předmětu tedy může být přesně 0  e nebo přesně 1  e , −1  e , 2  e atd., Ale ne, řekněme,1/2 e nebo −3,8  e atd. (V tomto prohlášení mohou existovat výjimky v závislosti na tom, jak je definován „objekt“; viz níže.)

To je důvod terminologie „elementární náboj“: znamená to, že jde o nedělitelnou jednotku náboje.

Nabíjí méně než základní poplatek

Existují dva známé druhy výjimek z nedělitelnosti základního náboje: kvarky a kvazičástice .

  • Kvarky , poprvé předpokládané v šedesátých letech minulého století, mají kvantovaný náboj, ale náboj je kvantován na násobky1/3e . Kvarky však nelze považovat za izolované částice; existují pouze ve skupinách a stabilní seskupení kvarků (například proton , který se skládá ze tří kvarků) mají náboje, které jsou celočíselnými násobky e . Z tohoto důvodu buď 1  e nebo1/3 e lze oprávněně považovat za „ kvantum náboje“ v závislosti na kontextu. Tato souměřitelnost náboje, „kvantizace náboje“, částečně motivovala Velké sjednocené teorie .
  • Kvazičástice nejsou částice jako takové, ale spíše vznikající entita ve složitém hmotném systému, který se chová jako částice. V roce 1982 Robert Laughlin vysvětlil frakční kvantový Hallův efekt postulováním existence frakčně nabitých kvazičástic . Tato teorie je nyní široce přijímána, ale není to považováno za porušení principu kvantování náboje, protože kvazičástice nejsou elementární částice .

Jaké je množství náboje?

Všechny známé elementární částice , včetně kvarků, mají náboje, které jsou celočíselnými násobky1/3 e . Dá se tedy říci, že „ kvantum náboje“ je1/3 e . V tomto případě jeden říká, že „elementární náboj“ je třikrát větší než „kvantum náboje“.

Na druhé straně všechny izolovatelné částice mají náboje, které jsou celočíselnými násobky e . (Kvarky nelze izolovat: existují pouze v kolektivních stavech jako protony, které mají celkové náboje, které jsou celočíselnými násobky e .) Lze tedy říci, že „kvantum náboje“ je e , s výhradou, že kvarky nemají být zahrnuta. V tomto případě by „elementární náboj“ byl synonymem pro „kvantum náboje“.

Ve skutečnosti se používají obě terminologie. Z tohoto důvodu mohou být fráze jako „kvantum náboje“ nebo „nedělitelná jednotka náboje“ nejednoznačné, pokud není uvedena další specifikace. Na druhé straně je termín „elementární náboj“ jednoznačný: vztahuje se k množství náboje, které je stejné jako u protonu.

Nedostatek dílčích poplatků

Paul Dirac v roce 1931 tvrdil, že pokud existují magnetické monopoly , musí být kvantifikován elektrický náboj; není však známo, zda magnetické monopoly skutečně existují. V současné době není známo, proč jsou izolovatelné částice omezeny na celočíselné náboje; zdá se, že většina prostředí teorie strun připouští zlomkové náboje.

Experimentální měření elementárního náboje

Před čtením je třeba si uvědomit, že základní náboj je přesně definován od 20. května 2019 Mezinárodním systémem jednotek .

Pokud jde o Avogadrovu konstantu a Faradayovu konstantu

Pokud jsou Avogadrova konstanta N A a Faradayova konstanta F nezávisle známy, lze hodnotu elementárního náboje odvodit pomocí vzorce

(Jinými slovy, náboj jednoho molu elektronů, dělený počtem elektronů v molu, se rovná náboji jednoho elektronu.)

Tato metoda je to , jak se Nejpřesnější hodnoty jsou dnes měří. Přesto je to legitimní a stále docela přesná metoda a experimentální metodiky jsou popsány níže.

Hodnota Avogadrovy konstanty N A byla poprvé aproximovat Johann Josef Loschmidta , který v roce 1865, odhadovaná střední průměr molekul ve vzduchu způsobem, který je ekvivalentní ke stanovení počtu částic v daném objemu plynu. Dnes lze hodnotu N A měřit s velmi vysokou přesností odebráním extrémně čistého krystalu (často křemíku ), měřením toho, jak daleko jsou od sebe atomy umístěny pomocí rentgenové difrakce nebo jiné metody, a přesným měřením hustoty krystalu. Z těchto informací lze odvodit hmotnost ( m ) jednoho atomu; a protože molární hmotnost ( M ) je známo, že počet atomů v molárním lze vypočítat: N  = M / m .

Hodnotu F lze měřit přímo pomocí Faradayových zákonů elektrolýzy . Faradayovy zákony elektrolýzy jsou kvantitativní vztahy založené na elektrochemických výzkumech publikovaných Michaelem Faradayem v roce 1834. V elektrolýzním experimentu existuje vzájemná korespondence mezi elektrony procházejícími drátem od anody k katodě a ionty, které se destičkují na anodu nebo katodu. Měření změnu hmotnosti anody nebo katody, a celkové vsázky procházející drátem (který může být měřen jako na čase-integrálu elektrického proudu ), a také s ohledem na molární hmotnosti iontů, lze odvodit F .

Limitem přesnosti metody je měření F : nejlepší experimentální hodnota má relativní nejistotu 1,6 ppm, asi třicetkrát vyšší než jiné moderní metody měření nebo výpočtu elementárního náboje.

Experiment s kapkami oleje

Slavnou metodou pro měření e je Millikanův experiment s kapkami oleje. Malá kapka oleje v elektrickém poli by se pohybovala rychlostí, která by vyrovnávala gravitační síly , viskozitu (cestování vzduchem) a elektrickou sílu . Síly v důsledku gravitace a viskozity lze vypočítat na základě velikosti a rychlosti kapky oleje, takže lze odvodit elektrickou sílu. Protože elektrická síla je zase produktem elektrického náboje a známého elektrického pole, elektrický náboj kapky oleje lze přesně vypočítat. Měřením nábojů mnoha různých olejových kapek je vidět, že všechny náboje jsou celočíselné násobky jednoho malého náboje, konkrétně e .

Nutnost měření velikosti kapiček oleje lze eliminovat použitím malých plastových kuliček jednotné velikosti. Sílu způsobenou viskozitou lze eliminovat úpravou síly elektrického pole tak, aby se koule nehybně vznášela.

Hluk výstřelu

Jakýkoli elektrický proud bude spojen s hlukem z různých zdrojů, z nichž jedním je hluk výstřelu . Šumový výstřel existuje, protože proud není plynulý kontinuální tok; místo toho je proud tvořen diskrétními elektrony, které procházejí jeden po druhém. Pečlivou analýzou šumu proudu lze vypočítat náboj elektronu. Tato metoda, kterou poprvé navrhl Walter H. Schottky , může určit hodnotu e, jejíž přesnost je omezena na několik procent. Bylo však použito v prvním přímém pozorování kvazičástic Laughlin , zapojených do frakčního kvantového Hallova jevu .

Z konstant Josephsona a von Klitzinga

Další přesnou metodou měření elementárního náboje je jeho odvození z měření dvou efektů v kvantové mechanice : Josephsonův jev , napěťové kmity, které vznikají v určitých supravodivých strukturách; a kvantový Hallův efekt , kvantový efekt elektronů při nízkých teplotách, silných magnetických polích a uvěznění do dvou dimenzí. Josephson konstanta je

kde h je Planckova konstanta . Lze jej měřit přímo pomocí Josephsonova efektu .

Von Klitzing konstanta je

Lze ji měřit přímo pomocí kvantového Hallova jevu .

Z těchto dvou konstant lze odvodit elementární náboj:

Metoda CODATA

Vztah používaný CODATA k určení elementárního náboje byl:

kde h je Planckova konstanta , α je konstanta jemné struktury , μ 0 je magnetická konstanta , ε 0 je elektrická konstanta a c je rychlost světla . V současné době tato rovnice odráží vztah mezi ε 0 a α , zatímco všechny ostatní jsou pevné hodnoty. Relativní standardní nejistota obou bude tedy stejná.

Viz také

Reference

Další čtení

  • Základy fyziky , 7. vydání, Halliday, Robert Resnick a Jearl Walker. Wiley, 2005