Sarcina electrica elementara

O sarcină electrică elementară  este o constantă fizică fundamentală , porțiunea minimă ( cuantică ) a sarcinii electrice observată în natură în particulele libere cu viață lungă. Conform modificărilor în definițiile unităților de bază, SI este exact 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] în Sistemul Internațional de Unități (SI) [2] . Strâns legată de constanta structurii fine , care descrie interacțiunea electromagnetică [3] .

Cuantificarea sarcinii electrice

Orice sarcină electrică observată într-un experiment este întotdeauna un multiplu al unei sarcini elementare  - o astfel de presupunere a fost făcută de B. Franklin în 1752 și ulterior verificată în mod repetat experimental. Sarcina elementară a fost măsurată pentru prima dată experimental de Millikan în 1910 [3] .

Faptul că sarcina electrică apare în natură numai sub forma unui număr întreg de sarcini elementare poate fi numit cuantificarea sarcinii electrice . În același timp, în electrodinamica clasică , problema cauzelor cuantizării sarcinii nu este discutată, deoarece sarcina este un parametru extern și nu o variabilă dinamică. O explicație satisfăcătoare a motivului pentru care taxa trebuie cuantificată nu a fost încă găsită, dar au fost deja obținute o serie de observații interesante.

• Dacă în natură există un monopol magnetic , atunci, conform mecanicii cuantice , sarcina sa magnetică trebuie să fie într-un anumit raport cu sarcina electrică a oricărei particule elementare alese . De aici rezultă automat că existența unui singur monopol magnetic presupune cuantificarea tuturor sarcinilor electrice din Univers. Cu toate acestea, nu a fost posibil să se detecteze un monopol magnetic în natură.
• În fizica modernă a particulelor , sunt dezvoltate modele precum preonul , în care toate particulele fundamentale cunoscute s-ar dovedi a fi simple combinații de particule noi, chiar mai fundamentale. În acest caz, cuantificarea sarcinii particulelor observate nu pare surprinzătoare, deoarece apare „prin construcție”.
• De asemenea, este posibil ca toți parametrii particulelor observate să fie descriși în cadrul unei teorii unificate a câmpului , a cărei abordări sunt în curs de dezvoltare. În astfel de teorii, mărimea sarcinii electrice a particulelor trebuie calculată dintr-un număr extrem de mic de parametri fundamentali, eventual legați de structura spațiu-timpului la distanțe ultramice. Dacă se construiește o astfel de teorie, atunci ceea ce observăm ca o sarcină electrică elementară se va dovedi a fi un invariant spațiu-timp discret (să zicem, topologic). O astfel de abordare este dezvoltată, de exemplu, în modelul lui S. Bilson-Thompson [4] , în care fermionii Modelului Standard sunt interpretați ca trei panglici spațiu-timp împletite într-o împletitură (brad) și sarcina electrică. (mai precis, o treime din ea) corespunde unei benzi răsucite pe 180°. Cu toate acestea, în ciuda eleganței unor astfel de modele, nu au fost încă obținute rezultate specifice general acceptate în această direcție.

Sarcină electrică fracționată

Odată cu descoperirea quarcilor , a devenit clar că particulele elementare pot avea o sarcină electrică fracțională, de exemplu, 1 ⁄ 3 și 2 ⁄ 3 din sarcina elementară. Cu toate acestea, astfel de particule există numai în stări legate ( confinament ), astfel că aproape toate particulele libere cunoscute (și toate cele stabile și cu viață lungă) au o sarcină electrică care este un multiplu al sarcinii elementare, deși împrăștierea prin particule încărcate fracționat a fost observat.

Excepția este cuarcul t , durata sa de viață (~1⋅10 −25 ) este atât de scurtă încât se descompune înainte de a avea timp să sufere hadronizare și, prin urmare, apare numai în formă liberă. Sarcina cuarcului t conform măsurătorilor directe este + 2 ⁄ 3 e [5] .

Căutările repetate pentru obiecte libere cu viață lungă și cu o sarcină electrică fracționată, efectuate prin diferite metode pentru o lungă perioadă de timp, nu au dat rezultate.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că sarcina electrică a cvasiparticulelor poate să nu fie, de asemenea, un multiplu al întregului. În special, sunt cvasiparticulele cu o sarcină electrică fracționată care sunt responsabile pentru efectul Hall cuantic fracționat .

Definiția experimentală a sarcinii electrice elementare

Numărul lui Avogadro și constanta lui Faraday

Dacă numărul Avogadro N A și constanta Faraday F sunt cunoscute , valoarea sarcinii electrice elementare poate fi calculată folosind formula

(Cu alte cuvinte, sarcina unui mol de electroni împărțită la numărul de electroni din mol este egală cu sarcina unui electron.)

În comparație cu alte metode mai precise, această metodă nu oferă o precizie ridicată, dar totuși precizia ei este destul de mare. Mai jos sunt detaliile acestei metode.

Valoarea constantei Avogadro N A a fost măsurată pentru prima dată aproximativ de Johann Josef Loschmidt , care în 1865 a determinat dimensiunea moleculelor de aer pe o bază gaz-cinetică, ceea ce este echivalent cu calcularea numărului de particule dintr-un anumit volum de gaz [6] ] . Astăzi, valoarea lui N A poate fi determinată cu o precizie foarte mare utilizând cristale foarte pure (de obicei cristale de siliciu ) prin măsurarea distanței dintre atomi folosind difracția de raze X ; sau într-un alt mod, cu o măsurare precisă a densității cristalului. De aici puteți găsi masa ( m ) unui atom și, deoarece masa molară ( M ) este cunoscută, numărul de atomi din mol poate fi calculat după cum urmează: N A \ u003d M / m .

Valoarea lui F poate fi măsurată direct folosind legile lui Faraday ale electrolizei . Legile lui Faraday ale electrolizei definesc rapoarte cantitative bazate pe studii electrochimice publicate de Michael Faraday în 1834 [7] . Într-un experiment de electroliză , există o corespondență unu-la-unu între numărul de electroni care trec între anod și catod și numărul de ioni depuși pe placa electrodului. Măsurând schimbările de masă ale anodului și catodului, precum și sarcina totală care trece prin electrolit (care poate fi măsurată ca integrală de timp a curentului electric ) și, de asemenea, având în vedere masa molară a ionilor, F poate fi dedus .

Limitarea acurateței metodei constă în măsurarea lui F. Cele mai bune valori experimentale au o eroare relativă de 1,6 ppm , care este de aproximativ treizeci de ori mai mare decât în ​​alte metode moderne de măsurare și calculare a sarcinii elementare.

Experiența lui Millikan

O experiență binecunoscută în măsurarea sarcinii electronilor e . O picătură mică de ulei într-un câmp electric se va mișca cu o astfel de viteză încât forța gravitațională , forța Stokes (derivată a vâscozității aerului) și forța electrică vor fi compensate . Gravitația și Stokes pot fi calculate din dimensiunea și viteza picăturii în absența unui câmp electric, din care se poate determina și forța electrică care acționează asupra căderii. Deoarece forța electrică, la rândul ei, este proporțională cu produsul dintre sarcina electrică și intensitatea câmpului electric cunoscut dată în experiment, sarcina electrică a unei picături de ulei poate fi calculată cu precizie. În aceste experimente, sarcinile măsurate ale diferitelor picături de ulei au fost întotdeauna multipli întregi ai unei valori mici, și anume e .

Zgomot de împușcare

Orice curent electric este însoțit de zgomot electronic din diverse surse, dintre care una este zgomotul împușcat . Existența zgomotului de împușcare se datorează faptului că curentul nu este continuu, ci este format din electroni discreti , care intră alternativ în electrod. Prin analiza atentă a zgomotului curent, se poate calcula sarcina unui electron. Această metodă, propusă pentru prima dată de Walter Schottky , poate da valoarea lui e la câteva procente [8] . Cu toate acestea, a fost folosit în prima observație directă a lui Laughlin a cvasiparticulelor implicate în efectul Hall cuantic fracționat [9] .

Efectul Josephson și constanta von Klitzing

O altă metodă precisă de măsurare a sarcinii elementare este calcularea acesteia din observarea a două efecte ale mecanicii cuantice : efectul Josephson , în care au loc fluctuații de tensiune într-o anumită structură supraconductoare și efectul Hall cuantic , efectul de cuantificare a rezistenței Hall . sau conductivitatea unui gaz electronic bidimensional în câmpuri magnetice puternice și la temperaturi scăzute. constanta Josephson

unde h  este constanta lui Planck , poate fi măsurată direct folosind efectul Josephson .

constanta Von Klitzing

poate fi măsurat direct folosind efectul Hall cuantic .

Din aceste două constante se poate calcula mărimea sarcinii elementare:

Note

1. ↑ Sarcina elementară  . Referința NIST despre constante, unități și incertitudine . Institutul Național de Standarde și Tehnologie din SUA . Preluat: 20 mai 2020.
2. ↑ În sistemul CGSE , sarcina elementară este exact 4,803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. Valoarea în unități CGSE este dată ca rezultat al conversiei valorii CODATA în coulombs, ținând cont de faptul că coulomb-ul este exact egal cu 2.997.924.580 de unități de sarcină electrică CGSE ( franklins sau statcoulombs).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Constante fizice fundamentale în aspecte istorice și metodologice. - M. : Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 p. - 400 de exemplare.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ Un model topologic de preoni compoziți  (link indisponibil) es.arXiv.org
5. ↑ Abazov VM și colab. ( DØ Colaborare ). Discriminarea experimentală între scenariile de producție de cuarc exotic  cu sarcină 2 e /3 de top și sarcina 4 e /3 (engleză)  // Physical Review Letters  : jurnal. - 2007. - Vol. 98 , nr. 4 . — P. 041801 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801 . - Cod . - arXiv : hep-ex/0608044 . — PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (germană)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , nr. 2 . - S. 395-413 . Traducere în engleză Arhivată din original pe 7 februarie 2006. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights  //  Journal of Chemical Education : jurnal. - 1954. - Vol. 31 , nr. mai . - P. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - Cod .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Physics Today. - 2003. - Mai ( vol. 56 , nr. 5 ). - P. 37-42 . - doi : 10.1063/1.1583532 . - arXiv : cond-mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. și colab. Observarea directă a unei încărcături fracționale  (engleză)  // Natura. - 1997. - Vol. 389 , nr. 162-164 . - P. 162 . - doi : 10.1038/38241 . — Cod . .