Elemi elektromos töltés

Az elemi elektromos töltés  egy alapvető fizikai állandó , az elektromos töltés legkisebb része ( kvantum ) , amely a természetben megfigyelhető szabad, hosszú élettartamú részecskékben. Az alapegységek definícióiban bekövetkezett változások szerint az SI pontosan 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] a Nemzetközi Mértékegységrendszerben (SI) [2] . Szorosan összefügg az elektromágneses kölcsönhatást leíró finomszerkezeti állandóval [3] .

Az elektromos töltés kvantálása

A kísérletben megfigyelt bármely elektromos töltés mindig egy elemi töltés többszöröse  – ezt a feltevést B. Franklin tette fel 1752 -ben , és ezt követően kísérletileg többször is igazolta. Az elemi töltést először Millikan mérte meg kísérletileg 1910 -ben [3] .

Az a tény, hogy az elektromos töltés a természetben csak egész számú elemi töltés formájában fordul elő, az elektromos töltés kvantálásának nevezhetjük . Ugyanakkor a klasszikus elektrodinamikában nem tárgyalják a töltéskvantálás okainak kérdését, mivel a töltés külső paraméter, és nem dinamikus változó. Még nem sikerült kielégítő magyarázatot találni arra, hogy miért kell a töltést kvantálni, de számos érdekes megfigyelést már sikerült elérni.

• Ha a természetben van mágneses monopólus , akkor a kvantummechanika szerint annak mágneses töltésének egy bizonyos arányban kell lennie bármely kiválasztott elemi részecske elektromos töltésével . Ebből automatikusan következik, hogy egyetlen mágneses monopólus létezése az Univerzum összes elektromos töltésének kvantálását vonja maga után. A természetben azonban nem lehetett mágneses monopólust kimutatni.
• A modern részecskefizikában olyan modelleket fejlesztenek ki, mint a preon , amelyekben az összes ismert alapvető részecske új, még alapvetőbb részecskék egyszerű kombinációinak bizonyulna. Ebben az esetben a megfigyelt részecskék töltésének kvantálása nem tűnik meglepőnek, hiszen az "konstrukcióból" jön létre.
• Az is lehetséges, hogy a megfigyelt részecskék összes paraméterét egy egységes térelmélet keretein belül írják le , amelynek megközelítései jelenleg is folyamatban vannak. Az ilyen elméletekben a részecskék elektromos töltésének nagyságát rendkívül kis számú alapvető paraméterből kell kiszámolni, amelyek valószínűleg a téridő szerkezetével kapcsolatosak ultrakis távolságokban. Ha felállítunk egy ilyen elméletet, akkor abból, amit elemi elektromos töltésként figyelünk meg, valami diszkrét téridő invariánsnak bizonyul (mondjuk topologikusnak). Ilyen megközelítést dolgozott ki például S. Bilson-Thompson [4] modellje , amelyben a Standard Modell fermionjait úgy értelmezik, mint három fonatba fonott tér-idő szalagot (brad), és az elektromos töltést. (pontosabban a harmada) egy 180°-os szalagra csavart szalagnak felel meg. Az ilyen modellek eleganciája ellenére azonban konkrét, általánosan elfogadott eredmények ebben az irányban még nem születtek.

Frakcionális elektromos töltés

A kvarkok felfedezésével világossá vált, hogy az elemi részecskék tört elektromos töltéssel rendelkezhetnek , például az elemi töltés 1⁄3 és 2⁄3 része . Az ilyen részecskék azonban csak kötött állapotban léteznek ( bezártság ), így szinte minden ismert szabad részecske (és minden stabil és hosszú élettartamú) elektromos töltése többszöröse az elemi töltésnek, bár a tört töltésű részecskék általi szóródást megfigyelt.

A kivétel a t-kvark , élettartama (~1⋅10 −25 ) olyan rövid, hogy lebomlik, mielőtt hadronizálódna , ezért csak szabad formában fordul elő. A t-kvark töltése közvetlen mérések szerint + 2 ⁄ 3 e [5] .

A töredékes elektromos töltésű, hosszú életű, szabad objektumok, különböző módszerekkel, hosszú ideig tartó, ismételt keresése nem vezetett eredményre.

Meg kell azonban jegyezni, hogy a kvázirészecskék elektromos töltése sem lehet többszöröse az egésznek. Különösen a töredékes elektromos töltésű kvázirészecskék felelősek a tört kvantum Hall-effektusért .

Az elemi elektromos töltés kísérleti meghatározása

Avogadro száma és Faraday állandója

Ha ismert az Avogadro-szám N A és az F Faraday-állandó , akkor az elemi elektromos töltés értéke kiszámítható a képlet segítségével.

(Más szavakkal, egy mól elektron töltése osztva a mólban lévő elektronok számával egyenlő egy elektron töltésével.)

Más, pontosabb módszerekkel összehasonlítva ez a módszer nem biztosít nagy pontosságot, de ennek ellenére a pontossága meglehetősen magas. Az alábbiakban ennek a módszernek a részleteit olvashatja.

Az Avogadro-állandó N A értékét először Johann Josef Loschmidt mérte meg közelítőleg , aki 1865-ben gázkinetikai alapon meghatározta a levegőmolekulák méretét, ami egyenértékű egy adott térfogatú gázban lévő részecskék számának kiszámításával [6 ] . Napjainkban az N A értéke nagyon nagy pontossággal meghatározható nagyon tiszta kristályok (általában szilíciumkristályok ) felhasználásával az atomok közötti távolság röntgendiffrakciós mérésével ; vagy más módon a kristály sűrűségének pontos mérésével. Innen egy atom tömege ( m ), és mivel ismert a moláris tömege ( M ), a mólban lévő atomok száma a következőképpen számítható ki: N A \ u003d M / m .

Az F értéke közvetlenül mérhető a Faraday-féle elektrolízistörvények segítségével . Az elektrolízis Faraday törvényei Michael Faraday 1834-ben publikált elektrokémiai tanulmányai alapján határozzák meg a kvantitatív arányokat [7] . Egy elektrolízises kísérletben egy az egyhez megfelelés van az anód és a katód között áthaladó elektronok száma és az elektródalemezen lerakódott ionok száma között. Az anód és a katód tömegváltozásának, valamint az elektroliton áthaladó teljes töltésnek (amely az elektromos áram időintegráljaként mérhető ) mérésével, valamint az ionok moláris tömegével F következtethető. .

A módszer pontosságának korlátja az F mérésében rejlik . A legjobb kísérleti értékek relatív hibája 1,6 ppm , ami körülbelül harmincszor nagyobb, mint az elemi töltés mérésének és kiszámításának más modern módszereinél.

Millikan tapasztalatai

Az elektrontöltés mérésének jól ismert tapasztalata e . Egy kis csepp olaj elektromos térben olyan sebességgel mozog, hogy a gravitációs erő , a Stokes-erő (a levegő viszkozitásának származéka) és az elektromos erő kompenzálódik . A csepp nagyságából és sebességéből elektromos tér hiányában a gravitáció és a Stokes számítható, amelyből a cseppre ható elektromos erő is meghatározható. Mivel az elektromos erő viszont arányos az elektromos töltés és a kísérletben megadott ismert elektromos térerősség szorzatával, így egy olajcsepp elektromos töltése pontosan kiszámítható. Ezekben a kísérletekben a különböző olajcseppek mért töltései mindig egy kis érték egész számú többszörösei voltak, nevezetesen e .

Lövészaj

Minden elektromos áramot különféle forrásokból származó elektronikus zaj kísér , amelyek közül az egyik a lövészaj . A lövészaj létezése annak a ténynek köszönhető, hogy az áram nem folyamatos, hanem diszkrét elektronokból áll , amelyek felváltva lépnek be az elektródába. Az áramzaj gondos elemzésével kiszámítható az elektron töltése. Ez a módszer, amelyet először Walter Schottky javasolt, néhány százalékon belül megadhatja e értékét [8] . Azonban ezt használták Laughlin első közvetlen megfigyelésében a részkvantum Hall-effektusban részt vevő kvázirészecskékről [9] .

A Josephson-effektus és a von Klitzing-állandó

Egy másik pontos módszer az elemi töltés mérésére, hogy a kvantummechanika két hatásának megfigyeléséből számítjuk ki : a Josephson-effektusból , amelynél feszültségingadozások lépnek fel egy bizonyos szupravezető szerkezetben, és a kvantum Hall-effektusból , a Hall-ellenállás kvantálásának hatásából. vagy egy kétdimenziós elektrongáz vezetőképessége erős mágneses térben és alacsony hőmérsékleten . Josephson állandó

ahol h  a Planck -állandó , közvetlenül mérhető a Josephson-effektus segítségével .

Von Klitz állandó

közvetlenül mérhető a kvantum Hall-effektus segítségével .

Ebből a két állandóból kiszámítható az elemi töltés nagysága:

Jegyzetek

1. ↑ Elemi  töltés . A NIST-referencia az állandókra, mértékegységekre és bizonytalanságra vonatkozóan . Az Egyesült Államok Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézete . Letöltve: 2020. május 20.
2. ↑ A CGSE rendszerben az elemi töltés pontosan 4,803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. A CGSE egységekben megadott értéket a CODATA értékének coulombban való átváltásának eredményeként adjuk meg, figyelembe véve azt a tényt, hogy a coulomb pontosan egyenlő 2 997 924 580 CGSE elektromos töltési egységgel ( franklin vagy statcoulomb).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Alapvető fizikai állandók történeti és módszertani vonatkozásban. - M. : Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 p. - 400 példány.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ Kompozit preonok topológiai modellje  (nem elérhető link) es.arXiv.org
5. ↑ Abazov VM et al. ( DØ Együttműködés ). Kísérleti megkülönböztetés a 2 e /3-as felső kvark és a 4-es töltetű egzotikus kvark előállítási forgatókönyvei  között (angol)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2007. - Vol. 98 , sz. 4 . — P. 041801 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801 . - . - arXiv : hep-ex/0608044 . — PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (német)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , sz. 2 . - S. 395-413 . angol fordítás . Archiválva az eredetiből 2006. február 7-én. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faraday elektrokémiai törvényei és az egyenértékű súlyok meghatározása  //  Journal of Chemical Education : folyóirat. - 1954. - 1. évf. 31 , sz. május . - P. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Fizika ma. - 2003. - május ( 56. évf. , 5. sz.). - P. 37-42 . - doi : 10.1063/1.1583532 . - arXiv : cond-mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. et al. Törttöltés közvetlen megfigyelése  (angol)  // Természet. - 1997. - 1. évf. 389. sz . 162-164 . - 162. o . - doi : 10.1038/38241 . — . .