Elementär elektrisk laddning

En elementär elektrisk laddning  är en grundläggande fysisk konstant , den minsta delen ( kvantum ) av elektrisk laddning som observeras i naturen i fria långlivade partiklar. Enligt ändringar i definitionerna av basenheter är SI exakt 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] i International System of Units (SI) [2] . Nära relaterad till den fina strukturkonstanten , som beskriver den elektromagnetiska interaktionen [3] .

Kvantisering av elektrisk laddning

Varje elektrisk laddning som observeras i ett experiment är alltid en multipel av en elementär laddning  - ett sådant antagande gjordes av B. Franklin 1752 och verifierades därefter upprepade gånger experimentellt. Den elementära laddningen mättes först experimentellt av Millikan 1910 [ 3] .

Det faktum att elektrisk laddning förekommer i naturen endast i form av ett heltal av elementära laddningar kan kallas kvantisering av elektrisk laddning . Samtidigt, inom klassisk elektrodynamik , diskuteras inte frågan om orsakerna till laddningskvantisering, eftersom laddningen är en extern parameter och inte en dynamisk variabel. En tillfredsställande förklaring till varför avgiften måste kvantiseras har ännu inte hittats, men ett antal intressanta observationer har redan inhämtats.

• Om det finns en magnetisk monopol i naturen , så måste, enligt kvantmekaniken , dess magnetiska laddning vara i ett visst förhållande med den elektriska laddningen av en vald elementarpartikel . Av detta följer automatiskt att existensen av endast en magnetisk monopol innebär kvantisering av alla elektriska laddningar i universum. Det var dock inte möjligt att upptäcka en magnetisk monopol i naturen.
• I modern partikelfysik utvecklas modeller som preon , där alla kända fundamentala partiklar skulle visa sig vara enkla kombinationer av nya, ännu mer fundamentala partiklar. I detta fall verkar kvantiseringen av laddningen av de observerade partiklarna inte förvånande, eftersom den uppstår "genom konstruktion".
• Det är också möjligt att alla parametrar för de observerade partiklarna kommer att beskrivas inom ramen för en enhetlig fältteori , tillvägagångssätt som för närvarande utvecklas. I sådana teorier måste storleken på partiklarnas elektriska laddning beräknas från ett extremt litet antal fundamentala parametrar, möjligen relaterade till strukturen av rum-tid på ultrasmå avstånd. Om en sådan teori konstrueras kommer det vi observerar som en elementär elektrisk laddning att visa sig vara någon diskret rum-tidsinvariant (säg topologisk). Ett sådant tillvägagångssätt utvecklas till exempel i modellen av S. Bilson-Thompson [4] , där fermionerna i standardmodellen tolkas som tre rymd-tidsband flätade till en fläta (brad), och den elektriska laddningen (närmare bestämt en tredjedel av det) motsvarar en tvinnad på 180° tejp. Men trots elegansen hos sådana modeller har specifika allmänt accepterade resultat i denna riktning ännu inte erhållits.

Fraktionerad elektrisk laddning

I och med upptäckten av kvarkar blev det tydligt att elementarpartiklar kan ha en bråkdel elektrisk laddning, till exempel 1 ⁄ 3 och 2 ⁄ 3 av elementarladdningen. Sådana partiklar existerar dock bara i bundna tillstånd ( inneslutning ), så nästan alla kända fria partiklar (och alla stabila och långlivade sådana) har en elektrisk laddning som är en multipel av elementärladdningen, även om spridning av fraktionsladdade partiklar har skett. observerade.

Undantaget är t-kvarken , dess livstid (~1⋅10 −25 ) är så kort att den sönderfaller innan den hinner genomgå hadronisering , och förekommer därför endast i fri form. Laddningen av t-kvarken enligt direkta mätningar är + 2 ⁄ 3 e [5] .

Upprepade sökningar efter långlivade fria föremål med en bråkdel elektrisk laddning, utförda med olika metoder under lång tid, har inte gett resultat.

Det bör dock noteras att den elektriska laddningen av kvasipartiklar kanske inte heller är en multipel av helheten. I synnerhet är det kvasipartiklar med en fraktionerad elektrisk laddning som är ansvariga för den fraktionerade kvanthalleffekten .

Experimentell definition av elementär elektrisk laddning

Avogadros nummer och Faradays konstant

Om Avogadro-talet N A och Faraday-konstanten F är kända kan värdet på den elementära elektriska laddningen beräknas med formeln

(Med andra ord, laddningen av en mol elektroner dividerad med antalet elektroner i molen är lika med laddningen av en elektron.)

Jämfört med andra mer exakta metoder ger denna metod inte hög noggrannhet, men dess noggrannhet är ändå ganska hög. Nedan finns detaljerna för denna metod.

Värdet på Avogadro-konstanten N A mättes först ungefärligt av Johann Josef Loschmidt , som 1865 bestämde storleken på luftmolekyler på en gaskinetisk basis, vilket motsvarar att beräkna antalet partiklar i en given volym gas [6 ] . Idag kan värdet av N A bestämmas med mycket hög noggrannhet genom att använda mycket rena kristaller (vanligtvis kiselkristaller ) genom att mäta avståndet mellan atomer med hjälp av röntgendiffraktion ; eller på annat sätt, med en noggrann mätning av kristallens densitet. Härifrån kan du hitta massan ( m ) för en atom, och eftersom molmassan ( M ) är känd kan antalet atomer i molen beräknas enligt följande: N A \ u003d M / m .

Värdet på F kan mätas direkt med hjälp av Faradays elektrolyslagar . Faradays lagar för elektrolys definierar kvantitativa förhållanden baserade på elektrokemiska studier publicerade av Michael Faraday 1834 [7] . I ett elektrolysexperiment finns det en en-till-en-överensstämmelse mellan antalet elektroner som passerar mellan anoden och katoden, och antalet joner avsatta på elektrodplattan. Genom att mäta massaförändringarna av anoden och katoden, såväl som den totala laddningen som passerar genom elektrolyten (som kan mätas som tidsintegralen av den elektriska strömmen ), och även givet jonernas molära massa , kan F härledas .

Begränsningen för metodens noggrannhet ligger i mätningen av F. De bästa experimentella värdena har ett relativfel på 1,6 ppm , vilket är ungefär trettio gånger större än i andra moderna metoder för att mäta och beräkna den elementära laddningen.

Millikans erfarenhet

En välkänd erfarenhet av att mäta elektronladdningen e . En liten droppe olja i ett elektriskt fält kommer att röra sig med en sådan hastighet att tyngdkraften , Stokes-kraften (derivat av luftens viskositet) och den elektriska kraften kommer att kompenseras . Gravity och Stokes kan beräknas från storleken och hastigheten på droppen i frånvaro av ett elektriskt fält, från vilket den elektriska kraften som verkar på droppen också kan bestämmas. Eftersom den elektriska kraften i sin tur är proportionell mot produkten av den elektriska laddningen och den kända elektriska fältstyrkan som ges i experimentet, kan den elektriska laddningen för en oljedroppe beräknas exakt. I dessa experiment var de uppmätta laddningarna av olika oljedroppar alltid heltalsmultiplar av ett litet värde, nämligen t.ex.

Skottljud

All elektrisk ström åtföljs av elektroniskt brus från olika källor, varav en är skottbrus . Förekomsten av skottbrus beror på att strömmen inte är kontinuerlig, utan består av diskreta elektroner , som växelvis kommer in i elektroden. Genom noggrann analys av strömbrus kan laddningen av en elektron beräknas. Denna metod, som först föreslogs av Walter Schottky , kan ge värdet av e till inom några få procent [8] . Emellertid användes det i Laughlins första direkta observation av kvasipartiklar involverade i den fraktionerade kvanthalleffekten [9] .

Josephson-effekten och von Klitzing-konstanten

En annan korrekt metod för att mäta den elementära laddningen är att beräkna den från observation av två effekter av kvantmekaniken : Josephson-effekten , där spänningsfluktuationer uppstår i en viss supraledande struktur och kvant-Hall-effekten , effekten av kvantisering av Hall-resistansen. eller ledningsförmåga hos en tvådimensionell elektrongas i starka magnetfält och vid låga temperaturer . Josephson konstant

där h  är Plancks konstant , kan mätas direkt med Josephson-effekten .

Von Klitzing konstant

kan mätas direkt med hjälp av kvanthalleffekten .

Från dessa två konstanter kan storleken på den elementära laddningen beräknas:

Anteckningar

1. ↑ Elementär  laddning . NIST-referensen om konstanter, enheter och osäkerhet . US National Institute of Standards and Technology . Hämtad: 20 maj 2020.
2. ↑ I CGSE- systemet är den elementära laddningen exakt 4,803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. Värdet i CGSE-enheter ges som ett resultat av att konvertera värdet av CODATA i coulombs, med hänsyn till det faktum att coulomben är exakt lika med 2 997 924 580 CGSE elektriska laddningsenheter ( franklins eller statcoulombs).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Grundläggande fysiska konstanter i historiska och metodologiska aspekter. - M. : Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 sid. - 400 exemplar.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ En topologisk modell av sammansatta preoner  (ej tillgänglig länk) es.arXiv.org
5. ↑ Abazov VM et al. ( DØ Samarbete ). Experimentell diskriminering mellan charge 2 e /3 top quark och charge 4 e /3 exotiska kvargproduktionsscenarier  (engelska)  // Physical Review Letters  : journal. - 2007. - Vol. 98 , nr. 4 . — S. 041801 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801 . - . - arXiv : hep-ex/0608044 . — PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (tyska)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , nr. 2 . - S. 395-413 . Engelsk översättning Arkiverad från originalet den 7 februari 2006. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faradays elektrokemiska lagar och bestämning av ekvivalenta vikter  //  Journal of Chemical Education : journal. - 1954. - Vol. 31 , nr. maj . - s. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Fysik idag. - 2003. - Maj ( vol. 56 , nr 5 ). - S. 37-42 . - doi : 10.1063/1.1583532 . - arXiv : cond-mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. et al. Direkt observation av en fraktionell laddning  (engelska)  // Nature. - 1997. - Vol. 389 , nr. 162-164 . - S. 162 . - doi : 10.1038/38241 . — . .