Elementární elektrický náboj

Elementární elektrický náboj  je základní fyzikální konstanta , minimální část ( kvanta ) elektrického náboje pozorovaná v přírodě ve volných částicích s dlouhou životností. Podle změn v definicích základních jednotek je SI přesně 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] v Mezinárodní soustavě jednotek (SI) [2] . Úzce souvisí s konstantou jemné struktury , která popisuje elektromagnetickou interakci [3] .

Kvantování elektrického náboje

Jakýkoli elektrický náboj pozorovaný při experimentu je vždy násobkem jednoho elementárního náboje  – takový předpoklad vyslovil B. Franklin v roce 1752 a následně opakovaně experimentálně ověřen. Elementární náboj poprvé experimentálně změřil Millikan v roce 1910 [3] .

Skutečnost, že elektrický náboj se v přírodě vyskytuje pouze ve formě celočíselného počtu elementárních nábojů, lze nazvat kvantováním elektrického náboje . Současně, v klasické elektrodynamice , otázka příčin kvantování náboje není diskutována, protože náboj je externí parametr, a ne dynamická proměnná. Uspokojivé vysvětlení, proč musí být náboj kvantován, nebylo dosud nalezeno, ale již byla získána řada zajímavých pozorování.

• Pokud v přírodě existuje magnetický monopól , pak podle kvantové mechaniky musí být jeho magnetický náboj v určitém poměru k elektrickému náboji libovolné vybrané elementární částice . Z toho automaticky vyplývá, že existence pouze jednoho magnetického monopólu znamená kvantování všech elektrických nábojů ve vesmíru. V přírodě však nebylo možné detekovat magnetický monopól.
• V moderní částicové fyzice se vyvíjejí modely jako preon , ve kterých by se všechny známé základní částice ukázaly jako jednoduché kombinace nových, ještě zásadnějších částic. Kvantování náboje pozorovaných částic se v tomto případě nezdá překvapivé, neboť vzniká „konstrukčně“.
• Je také možné, že všechny parametry pozorovaných částic budou popsány v rámci jednotné teorie pole , k níž se v současné době vyvíjejí přístupy. V takových teoriích musí být velikost elektrického náboje částic vypočtena z extrémně malého počtu základních parametrů, které mohou souviset se strukturou časoprostoru na ultramalých vzdálenostech. Pokud je taková teorie zkonstruována, pak to, co pozorujeme jako elementární elektrický náboj, se ukáže jako nějaký diskrétní časoprostorový invariant (řekněme topologický). Takový přístup je rozvinut např. v modelu S. Bilson-Thompson [4] , ve kterém jsou fermiony Standardního modelu interpretovány jako tři časoprostorové stuhy spletené do copu (brad), a elektrický náboj (přesněji jeho třetina) odpovídá přetočené pásce o 180°. Navzdory eleganci takových modelů však v tomto směru dosud nebyly získány konkrétní obecně uznávané výsledky.

Zlomkový elektrický náboj

S objevem kvarků se ukázalo, že elementární částice mohou mít zlomkový elektrický náboj, například 1 ⁄ 3 a 2 ⁄ 3 elementárního náboje. Takové částice však existují pouze ve vázaných stavech ( confinement ), takže téměř všechny známé volné částice (a všechny stabilní a dlouhověké) mají elektrický náboj, který je násobkem elementárního náboje, ačkoli rozptyl částečně nabitými částicemi byl pozorováno.

Výjimkou je t-kvark , jehož životnost (~1⋅10 −25 ) je tak krátká, že se rozpadá dříve, než stihne podstoupit hadronizaci , a proto se vyskytuje pouze ve volné formě. Náboj t-kvarku podle přímého měření je + 2 ⁄ 3 e [5] .

Opakované pátrání po dlouhověkých volných předmětech s nepatrným elektrickým nábojem, prováděné různými metodami po dlouhou dobu, nepřineslo výsledky.

Je však třeba poznamenat, že elektrický náboj kvazičástic také nemusí být násobkem celku. Zejména jsou to kvazičástice s nepatrným elektrickým nábojem, které jsou zodpovědné za frakční kvantový Hallův jev .

Experimentální definice elementárního elektrického náboje

Avogadrovo číslo a Faradayova konstanta

Pokud je známo Avogadroovo číslo N A a Faradayova konstanta F , lze hodnotu elementárního elektrického náboje vypočítat pomocí vzorce

(Jinými slovy, náboj jednoho molu elektronů dělený počtem elektronů v molu se rovná náboji jednoho elektronu.)

Ve srovnání s jinými, přesnějšími metodami, tato metoda neposkytuje vysokou přesnost, ale přesto je její přesnost poměrně vysoká. Níže jsou uvedeny podrobnosti o této metodě.

Hodnotu Avogadroovy konstanty N A poprvé přibližně změřil Johann Josef Loschmidt , který v roce 1865 určil velikost molekul vzduchu na plynokinetickém základě, což je ekvivalentní výpočtu počtu částic v daném objemu plynu [6 ] . Dnes lze hodnotu N A určit s velmi vysokou přesností pomocí velmi čistých krystalů (obvykle křemíkových krystalů ) měřením vzdálenosti mezi atomy pomocí rentgenové difrakce ; nebo jiným způsobem, s přesným měřením hustoty krystalu. Odtud můžete zjistit hmotnost ( m ) jednoho atomu, a protože molární hmotnost ( M ) je známá, lze počet atomů v molu vypočítat následovně: N A \ u003d M / m .

Hodnota F může být měřena přímo pomocí Faradayových zákonů elektrolýzy . Faradayovy zákony elektrolýzy definují kvantitativní poměry založené na elektrochemických studiích publikovaných Michaelem Faradayem v roce 1834 [7] . V experimentu elektrolýzy existuje vzájemná shoda mezi počtem elektronů procházejících mezi anodou a katodou a počtem iontů uložených na elektrodové desce. Měřením změn hmotnosti anody a katody, jakož i celkového náboje procházejícího elektrolytem (který lze měřit jako časový integrál elektrického proudu ) a také vzhledem k molární hmotnosti iontů, lze odvodit F .

Omezení přesnosti metody spočívá v měření F. Nejlepší experimentální hodnoty mají relativní chybu 1,6 ppm , což je asi třicetkrát větší než u jiných moderních metod měření a výpočtu elementárního náboje.

Millikanova zkušenost

Známá zkušenost s měřením elektronového náboje e . Malá kapka oleje v elektrickém poli se bude pohybovat takovou rychlostí , že se kompenzuje gravitační síla , Stokesova síla (derivát viskozity vzduchu) a elektrická síla . Gravitaci a Stokese lze vypočítat z velikosti a rychlosti kapky v nepřítomnosti elektrického pole, z čehož lze také určit elektrickou sílu působící na kapku. Protože elektrická síla je naopak úměrná součinu elektrického náboje a známé intenzitě elektrického pole uvedené v experimentu, lze elektrický náboj kapky oleje přesně vypočítat. V těchto experimentech byly naměřené náboje různých kapek oleje vždy celočíselné násobky jedné malé hodnoty, konkrétně např . .

Hluk výstřelu

Jakýkoli elektrický proud je doprovázen elektronickým šumem z různých zdrojů, jedním z nich je hluk výstřelu . Existence šumu výstřelu je způsobena tím, že proud není spojitý, ale skládá se z diskrétních elektronů , které střídavě vstupují do elektrody. Pečlivou analýzou proudového šumu lze vypočítat náboj elektronu. Tato metoda, kterou poprvé navrhl Walter Schottky , může dát hodnotu e s přesností na několik procent [8] . Byl však použit při Laughlinově prvním přímém pozorování kvazičástic zapojených do frakčního kvantového Hallova jevu [9] .

Josephsonův efekt a von Klitzingova konstanta

Další přesnou metodou měření elementárního náboje je jeho výpočet z pozorování dvou efektů kvantové mechaniky : Josephsonova jevu , při kterém dochází ke kolísání napětí v určité supravodivé struktuře a kvantového Hallova jevu , efektu kvantování Hallova odporu nebo vodivost dvojrozměrného elektronového plynu v silných magnetických polích a při nízkých teplotách. Josephsonova konstanta

kde h  je Planckova konstanta , lze měřit přímo pomocí Josephsonova efektu .

Von Klitzingova konstanta

lze měřit přímo pomocí kvantového Hallova jevu .

Z těchto dvou konstant lze vypočítat velikost elementárního náboje:

Poznámky

1. ↑ Elementární  náboj . NIST Reference o konstantách, jednotkách a nejistotě . Americký národní institut pro standardy a technologii . Staženo: 20. května 2020.
2. ↑ V systému CGSE je elementární náboj přesně 4,803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. Hodnota v jednotkách CGSE je uvedena jako výsledek převodu hodnoty CODATA v coulombech, přičemž se bere v úvahu skutečnost, že coulomb se přesně rovná 2 997 924 580 jednotkám elektrického náboje CGSE ( franklinů nebo statcoulombů).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Základní fyzikální konstanty v historických a metodologických aspektech. - M. : Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 s. - 400 výtisků.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ Topologický model složených preonů  (nedostupný odkaz) es.arXiv.org
5. ↑ Abazov VM et al. ( DØ Collaboration ). Experimentální rozlišení mezi nábojem 2 e /3 top kvarkem a nábojem 4 e /3 scénáře produkce exotického kvarku  (anglicky)  // Physical Review Letters  : journal. - 2007. - Sv. 98 , č. 4 . — P. 041801 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801 . - . - arXiv : hep-ex/0608044 . — PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (německy)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , č. 2 . - S. 395-413 . Anglický překlad Archivováno z originálu 7. února 2006. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faradayovy elektrochemické zákony a stanovení ekvivalentních hmotností  //  Journal of Chemical Education : deník. - 1954. - Sv. 31 , č. května . - str. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Physics Today. - 2003. - Květen ( roč. 56 , č. 5 ). - str. 37-42 . - doi : 10.1063/1.1583532 . - arXiv : cond-mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. a kol. Přímé pozorování zlomkového náboje  (anglicky)  // Nature. - 1997. - Sv. 389 , č.p. 162-164 . - str. 162 . - doi : 10.1038/38241 . — . .