Elemi díj - Elementary charge

Elemi töltés (mint egység a töltés )
Elemi töltés (mint egység a töltés )
Egységrendszer	Atomi egységek
Egysége	elektromos töltés
Szimbólum	e vagy q
Konverziók
1 e vagy q itt ...	... egyenlő ...
coulomb	1,602 176 634 × 10 −19
statcoulomb	4,803 204 25 (10) × 10 −10
HEP : √ ħc	0,30282212088
√ MeV ⋅ fm	√ 1,4399764

Elektromos töltés
Elektromos töltés
Meghatározás:	Charge egy proton
Szimbólum:	e vagy néha q e
Érték coulombokban :	1,602 176 634 × 10 −19 ° C

Az elemi töltés , általában jelöljük e , vagy néha q _e az elektromos töltés által szállított egyetlen proton , vagy ezzel ekvivalens, a nagysága a negatív elektromos töltés által szállított egyetlen elektron , amely töltés -1 e . Ez az elemi töltés alapvető fizikai állandó . Annak elkerülése érdekében, hogy az előjeje összetéveszthető legyen, az e -t néha elemi pozitív töltésnek nevezik .

A 2019 újradefiniálása az SI alapegységek hatályba lépett május 20-án 2019-ben az értéke pontosan 1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C , a coulomb definíciója szerint . A centiméter -gramm -másodperc egységrendszerben (CGS) ez van4,803 204 25 (10) × 10 ⁻¹⁰ statkulon .

Az elemi töltés értékének pontos meghatározása azt jelenti, hogy az ε ₀ ( elektromos állandó ) értéke, amely korábban pontos volt, most kísérleti meghatározás tárgyát képezi: ε ₀ pontosan meghatározott értékkel rendelkezett a 2019 -es SI újradefiniálásáig, utána idővel kísérleti finomítás tárgyává vált. Az SI bizottságok ( CGPM , CIPM stb.) Régóta fontolóra vették az SI alapegységek teljes fizikai állandók szerinti újradefiniálását annak érdekében, hogy megszüntessék függőségüket a fizikai műtermékektől (például a kilométer nemzetközi prototípusától ): hogy ez működjön, rögzített értékeket kellett meghatározni a fizikai állandókhoz.

Robert A. Millikan „s olajcseppkísérlet első mért nagysága a elemi töltés 1909.

Egységként

Egyes természetes egységrendszerekben , például az atomi egységek rendszerében , az e elektromos töltés mértékegységeként funkcionál , vagyis e e rendszerekben 1 e. Az elemi töltés egységként való használatát George Johnstone Stoney támogatta 1874 -ben az első természetes egységek , a Stoney egységek számára . Később javasolta az elektron nevet ennek az egységnek. Abban az időben, a részecske most hívja a elektron még nem fedezték fel, és a különbség a részecske elektron és a készülék töltés elektron még homályos. Később az elektron nevet hozzárendelték a részecskéhez, és az e töltési egység elvesztette nevét. Az energia -elektronvolt mértékegysége azonban emlékeztet minket arra, hogy az elemi töltést valaha elektronnak nevezték .

A Lorentz – Heaviside egységekben a töltőegység függő , így $e$ $=$ $\sqrt$ $4$ $π α$ $\sqrt$ $ħc$ $\approx 0,30282212088$ $\sqrt$ $ħc$ , ahol ${\ displaystyle {\ sqrt {\ hbar c}}}$

α a finomszerkezetű állandó , c a fénysebesség , a csökkent Planck-állandó . ${\ displaystyle \ hbar}$

Kvantálás

A töltéskvantálás az az elv, amely szerint bármely tárgy töltése az elemi töltés egész többszöröse. Így az objektum töltése pontosan 0 e lehet , vagy pontosan 1 e , -1 e , 2 e stb., De mondjuk nem1/2 e , vagy –3,8 e , stb. (Ez alól kivételek lehetnek, attól függően, hogy az „objektum” hogyan definiált; lásd alább.)

Ez az oka az "elemi töltés" terminológiának: ez azt jelenti, hogy ez egy oszthatatlan töltési egység.

Kevesebb, mint egy elemi töltés

Az elemi töltés oszthatatlansága alól kétféle kivétel ismert: a kvarkok és a kvazioszemcsék .

A kvarkok , amelyeket először az 1960 -as években állítottak fel, kvantált töltéssel rendelkeznek, de a töltés többszörösére kvantálódik1/3 e . A kvarkokat azonban nem tekinthetjük elszigetelt részecskéknek; csak csoportosulásokban léteznek, és a stabil kvarkcsoportok (például egy proton , amely három kvarkból áll) mind olyan töltésekkel rendelkeznek, amelyek egész többszörösei az e -nek . Emiatt vagy 1 e vagy1/3 Az e kontextustól függőenjoggal tekinthetőa töltés kvantumának . Ez a töltés -összehasonlíthatóság, a „töltéskvantálás” részben motiválta a nagy egységes elméleteket .
A kváziszemcsék nem részecskék, mint olyanok, hanem egy komplex anyagrendszerben kialakuló entitás, amely részecskeként viselkedik. 1982 -ben Robert Laughlin a frakcionált kvantum -Hall -effektust azzal magyarázta , hogy a frakcionált töltésű kvazioszemcsék létezését feltételezte . Ez az elmélet mára széles körben elfogadott, de ez nem tekinthető a töltéskvantálás elvének megsértésének, mivel a kvazioszemcsék nem elemi részecskék .

Mi a töltés kvantuma?

Minden ismert elemi részecske , beleértve a kvarkokat is, olyan töltésekkel rendelkezik, amelyek egész többszörösei1/3 e . Ezért azt mondhatjuk, hogy a " töltés kvantuma " az1/3 e . Ebben az esetben az egyik azt mondja, hogy az "elemi töltés" háromszor akkora, mint a "töltéskvantum".

Másrészt minden izolálható részecske töltéssel rendelkezik, amely egész többszöröse e -nek . (A kvarkokat nem lehet elkülöníteni: csak olyan kollektív állapotokban léteznek, mint a protonok, amelyek teljes töltése e -nek a többszöröse .) Ezért azt mondhatjuk, hogy a "töltéskvantum" az e , azzal a feltétellel, hogy a kvarkokat nem szabad beleértve. Ebben az esetben az "elemi töltés" a "töltés kvantuma" szinonimája lenne.

Valójában mindkét terminológiát használják. Ezért az olyan kifejezések, mint "a töltés kvantuma" vagy "a töltés oszthatatlan egysége", kétértelműek lehetnek, hacsak nem adunk további specifikációt. Másrészt az "elemi töltés" kifejezés egyértelmű: a proton mennyiségével egyenlő töltésmennyiségre utal.

Töredéktöltések hiánya

Paul Dirac 1931 -ben azzal érvelt, hogy ha léteznek mágneses monopolok , akkor az elektromos töltést kvantálni kell; azonban nem ismert, hogy valóban léteznek -e mágneses monopolok. Jelenleg nem ismert, hogy az izolálható részecskék miért korlátozódnak egész töltésekre; úgy tűnik, hogy a húrelmélet nagy része töredékes töltéseket ismer el.

Az elemi töltés kísérleti mérései

Olvasás előtt emlékezni kell arra, hogy az elemi töltést 2019. május 20. óta pontosan meghatározza a Nemzetközi Egységrendszer .

Az Avogadro -állandó és a Faraday -állandó tekintetében

Ha a Avogadro-állandó N _A , és a Faraday-állandó F jelentése egymástól függetlenül ismert, az értéke az elemi töltés lehet levezetni a következő képlet segítségével

{\ displaystyle e = {\ frac {F} {N _ {\ text {A}}}}.}

(Más szóval, egy mól elektron töltése , elosztva a mólban lévő elektronok számával, egyenlő egyetlen elektron töltésével.)

Ez a módszer ma nem a legpontosabb értékek mérésének módja . Mindazonáltal jogos és még mindig meglehetősen pontos módszer, és a kísérleti módszereket az alábbiakban ismertetjük.

Az érték a Avogadro-állandó N _A először közelíthető Johann Josef Loschmidt , akik, 1865-ben, becslések szerint az átlagos átmérője a molekulák levegőben olyan módszerrel, amely ekvivalens kiszámításánál a részecskék számát egy adott mennyiségű gáz. Ma az N _A értékét nagyon nagy pontossággal lehet mérni, ha rendkívül tiszta kristályt (gyakran szilíciumot ) veszünk, röntgendiffrakcióval vagy más módszerrel megmérjük, hogy az atomok milyen távolságra vannak egymástól , és pontosan megmérik a kristály sűrűségét. Ezekből az információkból következtetni lehet egyetlen atom tömegére ( m ); és mivel a moláris tömeg ( M ) ismert, kiszámítható az atomok száma egy mólban : N _A = M / m .

Az F értéke közvetlenül mérhető Faraday elektrolízis törvényeivel . A Faraday-féle elektrolízis törvényei mennyiségi összefüggések, amelyeket Michael Faraday 1834-ben publikált elektrokémiai kutatásai alapoznak meg . Egy elektrolízis kísérletben egy az egyben megfelel az anód-katód huzalon áthaladó elektronok és a lemezeket tartalmazó ionok között az anódra vagy a katódra, vagy le. Az anód vagy katód tömegváltozását és a huzalon áthaladó teljes töltést mérve (ami az elektromos áram időintegráljaként mérhető ), és az ionok moláris tömegét is figyelembe véve következtethetünk F-re .

A módszer pontosságának határa az F mérése : a legjobb kísérleti érték relatív bizonytalansága 1,6 ppm, körülbelül harmincszor nagyobb, mint az elemi töltés más modern mérési vagy számítási módszerei.

Olajcsepp-kísérlet

A híres módszer e mérésére a Millikan olajcsepp-kísérlete. Egy kis csepp olaj egy elektromos mezőben olyan sebességgel mozogna, amely kiegyensúlyozza a gravitációs erőt , a viszkozitást (a levegőben való utazás) és az elektromos erőt . A gravitáció és a viszkozitás miatti erőket az olajcsepp mérete és sebessége alapján lehetett kiszámítani, így az elektromos erő levezethető volt. Mivel az elektromos erő viszont az elektromos töltés és az ismert elektromos mező szorzata, az olajcsepp elektromos töltését pontosan meg lehetne számítani. Számos különböző olajcsepp töltésének mérésével látható, hogy a töltések egyetlen kis töltés egész többszörösei, nevezetesen pl .

Az olajcseppek méretének mérésének szükségessége kiküszöbölhető egyforma méretű apró műanyag gömbök használatával. A viszkozitás miatti erő kiküszöbölhető az elektromos tér erősségének beállításával úgy, hogy a gömb mozdulatlanul lebegjen.

Lövészaj

Bármilyen elektromos áramhoz különféle forrásokból származó zaj társul, amelyek közül az egyik a lövészaj . Lövés zaj létezik, mert az áram nem egyenletes folyamatos áramlás; ehelyett egy áramot különálló elektronok alkotnak, amelyek egyenként elhaladnak. Az áram zajának gondos elemzésével kiszámítható az elektron töltése. Ez a módszer, az első által javasolt Walter H. Schottky , meg tudja határozni a értéke e , amelynek a pontossága korlátozódik néhány százalék. Ezt azonban a Laughlin -kvázi részecskék első közvetlen megfigyelésében használták , ami a töredékes kvantum -Hall -effektusban szerepet játszik .

A Josephson és von Klitzing állandókból

Egy másik pontos módszer az elemi töltés mérésére azáltal, hogy a kvantummechanika két effektusának méréseiből következtetünk : A Josephson -effektus , bizonyos szupravezető szerkezetekben fellépő feszültségingadozások ; és a kvantum Hall -effektus , az elektronok kvantumhatása alacsony hőmérsékleten, erős mágneses mezőkben és két dimenzióba zárva. A Josephson -állandó az

{\ displaystyle K _ {\ text {J}} = {\ frac {2e} {h}},}

ahol h a Planck -állandó . Közvetlenül a Josephson-effektus segítségével mérhető .

A von Klitzing -állandó az

{\ displaystyle R _ {\ text {K}} = {\ frac {h} {e^{2}}}.}

Közvetlenül a kvantum Hall -effektus segítségével mérhető .

Ebből a két konstansból az elemi töltet levonható:

{\ displaystyle e = {\ frac {2} {R _ {\ text {K}} K _ {\ text {J}}}}.}

CODATA módszer

A CODATA által az elemi töltés meghatározásához használt összefüggés a következő volt:

{\ displaystyle e^{2} = {\ frac {2h \ alpha} {\ mu _ {0} c}} = 2h \ alpha \ varepsilon _ {0} c,}

ahol h a Planck-állandó , α a finomszerkezetű állandó , μ ₀ a mágneses állandó , ε ₀ az elektromos állandó , és c a fénysebesség . Jelenleg ez az egyenlet az ε ₀ és az α közötti kapcsolatot tükrözi , míg az összes többi fix érték. Így mindkettő relatív standard bizonytalansága azonos lesz.

Lásd még

CODATA 2018

Hivatkozások

További irodalom

Fundamentals of Physics , 7. kiadás, Halliday, Robert Resnick és Jearl Walker. Wiley, 2005

Languages

In other projects