Что означает понятие элементарный заряд кратко

Обновлено: 07.07.2024

элементарный электрический заряд - это заряд равный по модулю заряду электрона. заряд любого тела равен целому числу таких зарядов. (кварки - не в счет)
Меньшими зарядами человечество пока не умеет оперировать раздельно. Электроны уже умеем ворочать по отдельности

Элемента́рный электри́ческий заря́д — минимальная порция электрического заряда. Равен приблизительно 1,602 176 487(40)×10−19 Кл в системе СИ (и 4,803×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС) . Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Элементарный заряд - свойство протона или электрона хар-е их взаимосвязь с собственным электрическим полем и их взаимодействие с внешним эл. полем и равный +/- 1,6*10в 19 степени Кулона.

В элементарный заряд, обычно обозначаемый е или иногда q _е, это электрический заряд несут сингл протон или, что то же самое, величина отрицательного электрического заряда, переносимого одним электрон, имеющий заряд −1 е . [2] Этот элементарный заряд является фундаментальным физическая постоянная. Чтобы не было путаницы по поводу его знака, е иногда называют элементарный положительный заряд.

От Новое определение 2019 из Базовые единицы СИ, который вступил в силу 20 мая 2019 г., его значение составляет именно так 1.602 176 634 × 10 −19 C [1] , по определению кулон. в система единиц сантиметр – грамм – секунда (CGS), это 4.803 204 25 (10) × 10 −10 статкулоны . [3]

Приведение значения элементарного заряда точный означает, что значение ε₀ (электрическая постоянная), которая раньше была точной величиной, теперь подлежит экспериментальному определению: ε₀ имел точно определенное значение до переопределения SI в 2019 году, после чего с течением времени стал предметом экспериментального уточнения. [4] Комитеты СИ (CGPM, CIPMи т. д.) давно рассматривали возможность полностью переопределить базовые единицы СИ с точки зрения физические константы чтобы убрать их зависимость от физических артефактов (таких как Международный прототип килограмма): чтобы это работало, необходимо было определить фиксированные значения физических констант. [5]

Роберт А. Милликенс эксперимент с каплей масла впервые измерил величину элементарного заряда в 1909 году. [6]

Содержание

Как единица

Элементарный заряд (как единица измерения из обвинять)
Система единиц	Атомные единицы
Единица	электрический заряд
Символ	e или q
Конверсии
1 e или q в .	. равно .
кулон	1.602 176 634 × 10 −19 [1]
статкулон	4.803 204 25 (10) × 10 −10
HEP: √ ħc	0.30282212088
√ МэВ⋅FM	√ 1.4399764

В некоторых естественная единица системы, такие как система атомные единицы, е функционирует как единица измерения электрического заряда, то есть е равно 1 e в этих системах единиц. Использование элементарного заряда как единицы было продвинуто Джордж Джонстон Стоуни в 1874 г. для первой системы натуральные единицы, называется Каменные единицы. [7] Позже он предложил название электрон для этого устройства. В то время частица, которую мы сейчас называем электрон еще не было обнаружено, и разница между частицами электрон и единица заряда электрон все еще было размыто. Позже название электрон частица и единица заряда е потерял свое имя. Однако единица энергии электронвольт напоминает нам, что элементарный заряд когда-то назывался электрон.

Квантование

Расходы меньше, чем элементарный заряд

Есть два известных вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы.

Что такое квант заряда?

Отсутствие дробных зарядов

Поль Дирак в 1931 г. убедительно доказывал, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд необходимо квантовать; однако неизвестно, существуют ли на самом деле магнитные монополи. [9] [10] В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничиваются целыми зарядами; большая часть теория струн пейзаж похоже, допускает дробные сборы. [11] [12]

Экспериментальные измерения элементарного заряда

Перед чтением необходимо помнить, что элементарный сбор точно определен с 20 мая 2019 г. Международная система единиц.

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея

Если Константа Авогадро N_А и Постоянная Фарадея F известны независимо друг от друга, величина элементарного заряда может быть вычислена по формуле

(Другими словами, заряд одного моль электронов, деленное на количество электронов в моле, равно заряду одного электрона.)

Этот метод нет как Наиболее точным значения измеряются сегодня. Тем не менее, это законный и достаточно точный метод, экспериментальные методики описаны ниже.

Значение постоянной Авогадро N_А был впервые приближен Иоганн Йозеф Лошмидт который в 1865 году оценил средний диаметр молекул в воздухе методом, который эквивалентен подсчету количества частиц в данном объеме газа. [13] Сегодня стоимость N_А можно измерить с очень высокой точностью, взяв чрезвычайно чистый кристалл (часто кремний), измеряя расстояние между атомами, используя дифракция рентгеновских лучей или другой метод и точное измерение плотности кристалла. Из этой информации можно вывести массу (м) одиночного атома; и поскольку молярная масса (M) известно, количество атомов в моль можно вычислить: N_А = M/м. [14]

Значение F можно измерить напрямую, используя Законы электролиза Фарадея. Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майкл Фарадей в 1834 г. [15] В электролиз В эксперименте существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через провод от анода к катоду, и ионами, которые попадают на анод или катод или выходят с них. Измерение изменения массы анода или катода и общего заряда, проходящего через провод (который можно измерить как интеграл по времени от электрический ток), а также с учетом молярной массы ионов, можно вывести F. [14]

Предел точности метода - это измерение F: лучшее экспериментальное значение имеет относительную погрешность 1,6 ppm, что примерно в тридцать раз выше, чем у других современных методов измерения или расчета элементарного заряда. [14] [16]

Эксперимент с каплей масла

Известный метод измерения е это эксперимент Милликена с каплей масла. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться со скоростью, уравновешивающей силы сила тяжести, вязкость (путешествия по воздуху), и электрическая сила. Силы гравитации и вязкости могут быть рассчитаны на основе размера и скорости масляной капли, поэтому электрическая сила может быть вычислена. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд масляной капли можно точно вычислить. Измеряя заряды множества различных капель масла, можно увидеть, что все заряды являются целыми числами, кратными одному небольшому заряду, а именно: е.

Необходимость измерения размера масляных капель может быть устранена путем использования крошечных пластиковых шариков одинакового размера. Силу, возникающую из-за вязкости, можно устранить, отрегулировав напряженность электрического поля так, чтобы сфера зависала неподвижно.

Дробовой шум

Любые электрический ток будет связан с шум из различных источников, одним из которых является дробовой шум. Дробовой шум существует потому, что ток не является плавным непрерывным потоком; вместо этого ток состоит из дискретных электронов, которые проходят по одному. Путем тщательного анализа шума тока можно вычислить заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Уолтер Х. Шоттки, может определить значение е из которых точность ограничена несколькими процентами. [17] Однако он был использован при первом непосредственном наблюдении Лафлин квазичастицы, причастен к дробный квантовый эффект Холла. [18]

Из констант Джозефсона и фон Клитцинга

Другой точный метод измерения элементарного заряда заключается в его выводе из измерений двух эффектов в квантовая механика: The Эффект джозефсона, колебания напряжения, возникающие в определенных сверхпроводящий конструкции; и квантовый эффект холла, квантовый эффект электронов при низких температурах, сильных магнитных полях и двухмерном ограничении. В Постоянная Джозефсона является

где час это Постоянная Планка. Его можно измерить напрямую с помощью Эффект джозефсона.

Его можно измерить напрямую с помощью квантовый эффект холла.

Из этих двух констант можно определить элементарный заряд:

CODATA метод

Отношение, используемое CODATA для определения элементарного заряда было:

где час это Постоянная Планка, α это постоянная тонкой структуры, μ₀ это магнитная постоянная, ε₀ это электрическая постоянная, и c это скорость света. В настоящее время это уравнение отражает связь между ε₀ и α, а все остальные - фиксированные значения. Таким образом, относительные стандартные неопределенности обоих будут одинаковыми.

Электри́ческая постоя́нная (ранее также носила название диэлектрической постоянной) — физическая константа, скалярная величина, входящая в выражения некоторых законов электромагнетизма, в том числе закона Кулона, при записи их в рационализованной форме, соответствующей Международной системе единиц (СИ).

Эффекти́вная ма́сса — величина, имеющая размерность массы и применяемая для удобного описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла. Можно показать, что электроны и дырки в кристалле реагируют на электрическое поле так, как если бы они свободно двигались в вакууме, но с некой эффективной массой, которую обычно определяют в единицах массы электрона me (9,11×10−31 кг). Эффективная масса электрона в кристалле, вообще говоря, отлична от массы электрона в вакууме и может быть как положительной.

Во́лны де Бро́йля — волны вероятности (или волны амплитуды вероятности), определяющие плотность вероятности обнаружения объекта в заданной точке конфигурационного пространства. В соответствии с принятой терминологией говорят, что волны де Бройля связаны с любыми частицами и отражают их волновую природу.

Вырождение (квантовая механика) — явление, при котором некоторая физическая величина (например. энергия, импульс и т. д.), характеризующая квантовую физическую систему, принимает одно и то же значение для разных состояний квантовой физической системы. Кратностью вырождения называется число различных состояний квантовой физической системы, имеющих одно и то же значение физической величины.

Магни́тный моме́нт, магни́тный дипо́льный моме́нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества (источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки; элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток).

Спин-орбитальное взаимодействие — в квантовой физике взаимодействие между движущейся частицей и её собственным магнитным моментом, обусловленным спином частицы. Наиболее часто встречающимся примером такого взаимодействия является взаимодействие электрона, находящегося на одной из орбит в атоме, с собственным спином. Такое взаимодействие, в частности, приводит к возникновению так называемой тонкой структуры энергетического спектра электрона и расщеплению спектроскопических линий атома.

Множитель Ланде (гиромагнитный множитель, иногда тж. g-фактор) — множитель в формуле для расщепления уровней энергии в магнитном поле, определяющий масштаб расщепления в относительных единицах. Частный случай более общего g-фактора.

Дипо́ль — идеализированная система, служащая для приближённого описания поля, создаваемого более сложными системами зарядов, а также для приближенного описания действия внешнего поля на такие системы. Дипольное приближение, выполнение которого обычно подразумевается, когда говорится о поле диполя, основано на разложении потенциалов поля в ряд по степеням радиус-вектора, характеризующего положение зарядов-источников, и отбрасывании всех членов выше первого порядка. Полученные функции будут эффективно.

Пло́тность заря́да — количество электрического заряда, приходящееся на единицу длины, площади или объёма. Таким образом определяются линейная, поверхностная и объёмная плотности заряда, которые в системе СИ измеряются в кулонах на метр (Кл/м), в кулонах на квадратный метр (Кл/м²) и в кулонах на кубический метр (Кл/м³), соответственно. В отличие от плотности вещества, плотность заряда может принимать не только положительные, но и отрицательные значения, поскольку существуют заряды обоих знаков.

Неупру́гое рассе́яние — столкновение частиц (включая столкновения с фотонами), сопровождающееся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным рождением новых частиц.

Ко́мптоновская длина́ волны́ (λC) — параметр элементарной частицы: величина размерности длины, характерная для релятивистских квантовых процессов, идущих с участием этой частицы. Комптоновская длина волны эквивалентна длине волны фотона, чья энергия равна энергии покоя самой частицы. Название параметра связано с именем А. Комптона и комптоновским эффектом.

Электри́ческий ди́польный моме́нт — векторная физическая величина, характеризующая, наряду с суммарным зарядом (и реже используемыми высшими мультипольными моментами), электрические свойства системы заряженных частиц (распределения зарядов) в смысле создаваемого ею поля и действия на неё внешних полей. Главная после суммарного заряда и положения системы в целом (её радиус-вектора) характеристика конфигурации зарядов системы при наблюдении её издали.

Безма́ссовые части́цы (люксо́ны) — частицы, масса покоя которых равна нулю. Не имеют аналога в нерелятивистской механике.

Плотность состояний — величина, определяющая количество энергетических уровней в интервале энергий на единицу объёма в трёхмерном случае (на единицу площади — в двумерном случае). Является важным параметром в статистической физике и физике твёрдого тела. Термин может применяться к фотонам, электронам, квазичастицам в твёрдом теле и т. п. Применяется только для одночастичных задач, то есть для систем где можно пренебречь взаимодействием (невзаимодействующие частицы) или добавить взаимодействие в качестве.

Аномальный магнитный момент — отклонение величины магнитного момента элементарной частицы от значения, предсказываемого квантовомеханическим релятивистским уравнением движения частицы. В квантовой электродинамике аномальный магнитный момент электрона и мюона вычисляется методом радиационных поправок (пертурбативным методом), в квантовой хромодинамике магнитные моменты сильно взаимодействующих частиц (адронов) вычисляются методом операторного разложения (непертурбативным методом).

Поляризация вакуума — совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями. Эти процессы формируют нижнее (вакуумное) состояние систем взаимодействующих квантовых полей.

Электри́ческий заря́д (коли́чество электри́чества) — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Уровни Ландау — энергетические уровни заряженной частицы в магнитном поле. Впервые получены как решение уравнения Шрёдингера для заряженной частицы в магнитном поле Л. Д. Ландау в 1930 году. Решением этой задачи являются волновые функции электрона в гармоническом потенциале. Уровни Ландау играют существенную роль во всех кинетических явлениях в присутствии магнитного поля.

Фе́рми-газ (или идеальный газ Фе́рми — Дира́ка) — газ, состоящий из частиц, удовлетворяющих статистике Ферми — Дирака, имеющих малую массу и высокую концентрацию. Например, электроны в металле. В первом приближении можно считать, что потенциал, действующий на электроны в металле, является постоянной величиной и благодаря сильному экранированию положительно заряженными ионами можно пренебречь электростатическим отталкиванием между электронами. Тогда электроны металла можно рассматривать как идеальный.

Магни́тное ква́нтовое число́ (m) — квантовое число, параметр, который вводится при решении уравнения Шрёдингера для электрона в водородоподобном атоме (и вообще для любого движения заряженной частицы). Магнитное квантовое число характеризует ориентацию в пространстве орбитального момента импульса электрона или пространственное расположение атомной орбитали. Оно принимает целые значения от -l до +l, где l — орбитальное квантовое число, то есть имеет ровно столько значений, сколько орбиталей существует.

Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.

Ку́перовская па́ра — связанное состояние двух взаимодействующих через фонон электронов. Обладает нулевым спином и зарядом, равным удвоенному заряду электрона. Впервые подобное состояние было описано Леоном Купером в 1956 году, рассмотревшим лишь упрощенную двухчастичную задачу. Коррелированные пары электронов ответственны за явление сверхпроводимости.

Тонкая структура (мультиплетное расщепление) — явление в атомной физике, описывающее расщепление спектральных линий (уровней энергии, спектральных терм) атома.

Чётность — свойство физической величины сохранять свой знак (или изменять на противоположный) при некоторых дискретных преобразованиях. Она выражается числом, принимающим два значения: +1 и −1.

Энергетический уровень — собственные значения энергии квантовых систем, то есть систем, состоящих из микрочастиц (электронов, протонов и других элементарных частиц) и подчиняющихся законам квантовой механики. Каждый уровень характеризуется определённым состоянием системы, или подмножеством таковых в случае вырождения. Понятие применимо к атомам (электронные уровни), молекулам (различные уровни, соответствующие колебаниям и вращениям — колебательные и вращательные уровни), атомным ядрам (внутриядерные.

Сверхтонкая структура — структура уровней энергии атомов, молекул и ионов и, соответственно, спектральных линий, обусловленная взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов. Энергия этого взаимодействия зависит от возможных взаимных ориентаций спина ядра и спинов электронов.

Рассе́яние части́ц — изменение направления движения частиц в результате столкновений с другими частицами.

Поверхность Ферми — поверхность постоянной энергии в k-пространстве, равной энергии Ферми в металлах или вырожденных полупроводниках. Знание формы поверхности Ферми играет важную роль во всей физике металлов и вырожденных полупроводников, так как благодаря вырожденности электронного газа транспортные свойства его, такие как проводимость, магнетосопротивление зависят только от электронов вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми разделяет заполненные состояния от пустых при абсолютном нуле температур.

Пра́вилами отбо́ра в спектроскопии называют ограничения и запрет на переходы между уровнями квантомеханической системы с поглощением или излучением фотона, наложенные законами сохранения и симметрией.

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные — постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

В физике квантова́ние — построение квантового варианта некоторой неквантовой (классической) теории или физической модели в соответствии с аксиомами квантовой физики.

Электроны проводимости — это электроны, способные переносить электрический заряд в кристалле, отрицательно заряженные квазичастицы в металлах и полупроводниках, электронные состояния в зоне проводимости.

Поле Хиггса или хиггсовское поле — поле, обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии электрослабых взаимодействий благодаря нарушению симметрии вакуума, названо по имени разработчика его теории, британского физика Питера Хиггса. Квант этого поля — хиггсовская частица (хиггсовский бозон).

Тензор электромагнитного поля — это антисимметричный дважды ковариантный тензор, являющийся обобщением напряжённости электрического и индукции магнитного поля для произвольных преобразований координат. Он используется для инвариантной формулировки уравнений электродинамики, в частности, с его помощью можно легко обобщить электродинамику на случай наличия гравитационного поля.

Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

Электро́нный га́з — модель в физике твердого тела, описывающая поведение электронов в телах с электронной проводимостью. В электронном газе пренебрегается кулоновским взаимодействием между частицами, а сами электроны слабо связаны с ионами кристаллической решетки. Соответствующим понятием для материалов с дырочной проводимостью является дырочный газ.

Спонтанное излучение или спонтанное испускание — процесс самопроизвольного испускания электромагнитного излучения квантовыми системами (атомами, молекулами) при их переходе из возбуждённого состояния в стабильное.

Слабый изоспин в теоретической физике соответствует идее изоспина для сильного взаимодействия, но применённой для слабого взаимодействия. Обычно обозначается T или IW.

Эне́ргия Гельмго́льца (или просто свобо́дная эне́ргия) — термодинамический потенциал, убыль которого в квазистатическом изотермическом процессе равна работе, совершённой системой над внешними телами.

В теории поля представление системы зарядов в виде некоторых квадрупо́лей, аналогично представлению её в виде системы диполей, используется для приближённого расчёта создаваемого ей поля и излучения. Более общим представлением является разложение системы на мультиполи, соответствующее разложению потенциалов в ряд Тейлора по некоторым переменным. Квадруполь — частный случай мультиполя. Квадрупольное рассмотрение системы оказывается особенно важным в том случае, когда её дипольный момент и заряд равны.

Изотопи́ческий спин (изоспи́н) — одна из внутренних характеристик (квантовое число), определяющая число зарядовых состояний адронов. В частности, протон и нейтрон (общее наименование этих элементарных частиц — нуклоны) различаются значением проекции изоспина, тогда как абсолютные значения их изоспина одинаковы. Последнее выражает свойство изотопической инвариантности сильного взаимодействия. Понятие изотопического спина было введено Гейзенбергом в 1932 г.Изоспин сохраняется во всех процессах, обусловленных.

Вы́нужденное излуче́ние, индуци́рованное излучение — генерация нового фотона при переходе квантовой системы (атома, молекулы, ядра и т. д.) между двумя состояниями (с более высокого на более низкий энергетический уровень) под воздействием индуцирующего фотона, энергия которого равна разности энергий этих состояний. Созданный фотон имеет ту же энергию, импульс, фазу, поляризацию, а также направление распространения, что и индуцирующий фотон (который при этом не поглощается). Оба фотона являются когерентными.

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома; задаётся: главным n, орбитальным l, и магнитным m — квантовыми числами.

Фоно́н — квазичастица, введённая советским учёным Игорем Таммом. Фонон представляет собой квант колебательного движения атомов кристалла.

В физике понятие заря́да используется для описания нескольких физических величин, таких как электрический заряд в электромагнетизме или цветовой заряд в квантовой хромодинамике. Все эти заряды связаны с сохранением квантовых чисел.

Магнитоста́тика — раздел классической электродинамики, изучающий взаимодействие постоянных токов посредством создаваемого ими постоянного магнитного поля и способы расчета магнитного поля в этом случае. Под случаем магнитостатики или приближением магнитостатики понимают выполнение этих условий (постоянства токов и полей — или достаточно медленное их изменение со временем), чтобы можно было пользоваться методами магнитостатики в качестве практически точных или хотя бы приближенных. Магнитостатика.

Элементарный заряд , обычно обозначается через е или иногда д _е представляет собой электрический заряд осуществляется с помощью одного протона или, что эквивалентно, величина отрицательного электрического заряда , переносимого одного электрона , который имеет заряд -1 е . Этот элементарный заряд - фундаментальная физическая константа . Чтобы избежать путаницы по поводу его знака, е иногда называют элементарным положительным зарядом .

С 2019 переопределения из основных единиц СИ , которые вступили в силу 20 мая 2019, его значение точно 1.602 176 634 · 10 −19 C , по определению кулона . В системе единиц сантиметр – грамм – секунда (СГС) это 4.803 204 25 (10) × 10 −10 статкулонов .

Заставить значение элементарного заряда точным следует , что величина х ₀ ( электрических постоянная ), который было точное значением до того , в настоящее время при условии экспериментального определения: ε ₀ имело точно определенное значение до 2019 SI переопределения, после чего со временем стал предметом экспериментального уточнения. Комитеты СИ ( CGPM , CIPM и т. Д.) Долгое время рассматривали возможность полностью переопределить базовые единицы СИ с точки зрения физических констант, чтобы устранить их зависимость от физических артефактов (таких как Международный прототип килограмма ): чтобы это сработало, необходимо было определить фиксированные значения физических констант.

Эксперимент Роберта А. Милликена с каплей масла впервые измерил величину элементарного заряда в 1909 году.

СОДЕРЖАНИЕ

Как единица

Элементарный заряд ( в качестве единицы из заряда )
Система единиц	Атомные единицы
Единица	электрический заряд
Символ	e или q
Конверсии
1 е или q в .	. равно .
кулон	1,602 176 634 × 10 −19
статкулон	4,803 204 25 (10) × 10 −10
HEP : √ ħc	0,30282212088
√ МэВ ⋅ Фм	√ 1.4399764

В единицах Лоренца – Хевисайда единица заряда является зависимой , так что e = √ 4 π α √ ħc ≈ 0,30282212088 √ ħc , где ℏ c >>

Квантование

Расходы меньше, чем элементарный заряд

Есть два известных вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы .

Что такое квант заряда?

Отсутствие дробных зарядов

Поль Дирак в 1931 году утверждал, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд необходимо квантовать; однако неизвестно, существуют ли на самом деле магнитные монополи. В настоящее время неизвестно, почему изолируемые частицы ограничиваются целыми зарядами; Большая часть теории струн допускает дробные заряды.

Экспериментальные измерения элементарного заряда

Перед чтением необходимо помнить, что элементарный сбор с 20 мая 2019 года точно определен Международной системой единиц .

В терминах постоянной Авогадро и постоянной Фарадея

Если постоянная Авогадро N _A и постоянная Фарадея F известны независимо друг от друга, значение элементарного заряда можно вывести по формуле

(Другими словами, заряд одного моля электронов, деленный на количество электронов в одном моле, равен заряду одного электрона.)

Этот метод не является тем, как сегодня измеряются самые точные значения. Тем не менее, это законный и достаточно точный метод, экспериментальные методики описаны ниже.

Значение постоянной Авогадро N _A было впервые приближено Иоганном Йозефом Лошмидтом, который в 1865 году оценил средний диаметр молекул в воздухе методом, эквивалентным вычислению количества частиц в данном объеме газа. Сегодня значение N _A можно измерить с очень высокой точностью, взяв чрезвычайно чистый кристалл (часто кремний ), измерив расстояние между атомами с помощью дифракции рентгеновских лучей или другим методом и точно измерив плотность кристалла. Из этой информации можно вывести массу ( m ) отдельного атома; и поскольку молярная масса ( M ) известна, количество атомов в моль может быть вычислено: N _A = M / m .

Значение F можно измерить напрямую, используя законы электролиза Фарадея . Законы электролиза Фарадея представляют собой количественные соотношения, основанные на электрохимических исследованиях, опубликованных Майклом Фарадеем в 1834 году. В эксперименте по электролизу существует взаимно однозначное соответствие между электронами, проходящими через провод между анодом и катодом, и ионами, покрывающими пластину. на анод или катод или с них. Измерение изменения массы анода или катода, а также полного заряда , проходящего через проволоку (которая может быть измерена как время , интеграл от электрического тока ), а также принимая во внимание молярную массу ионов, можно сделать вывод , F .

Предел точности метода - это измерение F : лучшее экспериментальное значение имеет относительную погрешность 1,6 ppm, что примерно в тридцать раз выше, чем у других современных методов измерения или расчета элементарного заряда.

Эксперимент с каплей масла

Известный метод измерения е - эксперимент Милликена с каплей масла. Маленькая капля масла в электрическом поле будет двигаться со скоростью, уравновешивающей силы тяжести , вязкости (движения по воздуху) и электрической силы . Силы, обусловленные гравитацией и вязкостью, могут быть рассчитаны на основе размера и скорости капли масла, что позволяет рассчитать электрическую силу. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, электрический заряд масляной капли можно точно вычислить. Измерив заряды множества различных капель масла, можно увидеть, что все заряды являются целыми числами, кратными одному небольшому заряду, а именно e .

Необходимость измерения размера масляных капель может быть устранена путем использования крошечных пластиковых сфер одинакового размера. Силу, возникающую из-за вязкости, можно устранить, отрегулировав напряженность электрического поля так, чтобы сфера парила неподвижно.

Дробовой шум

Любой электрический ток будет связан с шумом от множества источников, одним из которых является дробовой шум . Дробовой шум существует потому, что ток не является плавным непрерывным потоком; вместо этого ток состоит из дискретных электронов, которые проходят по одному. Путем тщательного анализа шума тока можно рассчитать заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Уолтером Шоттки , позволяет определять значение e, точность которого ограничена несколькими процентами. Однако он был использован в первом прямом наблюдении квазичастиц Лафлина , участвующих в дробном квантовом эффекте Холла .

Из констант Джозефсона и фон Клитцинга

Другой точный метод измерения элементарного заряда заключается в его выводе из измерений двух эффектов в квантовой механике : эффекта Джозефсона , колебаний напряжения, возникающих в определенных сверхпроводящих структурах; и квантовый эффект Холла , квантовый эффект электронов при низких температурах, сильных магнитных полях и двухмерном ограничении. Постоянная Джозефсона равна

где h - постоянная Планка . Его можно измерить напрямую, используя эффект Джозефсона .

Его можно измерить напрямую, используя квантовый эффект Холла .

Из этих двух констант можно вывести элементарный заряд:

CODATA метод

Соотношение, используемое CODATA для определения элементарного заряда, было:

где h - постоянная Планка , α - постоянная тонкой структуры , μ ₀ - магнитная постоянная , ε ₀ - электрическая постоянная , c - скорость света . В настоящее время это уравнение отражает связь между ε ₀ и α , в то время как все остальные являются фиксированными значениями. Таким образом, относительные стандартные неопределенности обоих будут одинаковыми.

Читайте также: