Элемэнтарны электрычны зарад

Элемэнтарны электрычны зарад — фундамэнтальная фізычная канстанта, якая характарызуе сілу электрамагнітнага ўзаемадзеяньня, абсалютнае значэньне зараду электрона. Элемэнтарны зарад пазначаецца літрай e, але паколькі электрон адмоўна зараджаная часьцінка, то яго зарад пішуць зь мінусам — −e. У сыстэме СІ элемэнтарны зарад прыблізна равен 1,602176565(35)·10⁻¹⁹ Кл ^[1]. У сыстэме СГС элемэнтарны зарад прыблізна равен 4,803529695(105)·10⁻¹⁰ СГСЭ. Шчыльна зьвязаны з канстантай тонкай структуры, якая апісвае электрамагнітнае ўзаемадзеяньне ^[2].

Квантаваньне электрычнага зараду

Любы назіраны ў экспэрымэнце электрычны зарад заўсёды кратны элемэнтарнаму — такое меркаваньне было выказана Б. Франклінам у 1752 року й у далейшым неаднаразова правяралася экспэрымэнтальна. Упершыню элемэнтарны зарад быў экспэрымэнтальна вымераны Мілікенам ў 1910 року^[2]. Той зьяву, што электрычны зарад сустракаецца ў прыродзе толькі ў выглядзе цэлага ліку элемэнтарных зарадаў, можна назваць квантаваньнем электрычнага зарада.

Пры гэтым у клясычнай электрадынаміцы патньне аб прычынах квантаваньне зарада не абмяркоўваецца, паколькі зарад зьяўляецца зьнешнім парамэтрам, а не дынамічнай зьменнай. Дакладнага тлумачэньня, чаму зарад абавязаны квантавацца, пакуль ня знойдзена, але існуе досьвед цікавых назіраньняў.

• Калі ў прыродзе існуе магнітны манаполь, то, згодна з квантавай мэханікай, яго магнітны зарад абавязаны знаходзіцца ў пэўных суадносінах з зарадам любой абранай элемэнтарнай часьціцы. Адсюль аўтаматычна вынікае, што адно толькі існаваньне магнітнага манаполя цягне за сабою квантаваньне зарада. Аднак выявіць у прыродзе магнітныя манаполі не ўдалося.
• У сучаснай фізыцы элемэнтарных часьціц распрацоўваюцца мадэлі накшталт прыённай, у якіх усе вядомыя фундамэнтальныя часьціцы аказваліся б простымі камбінацыямі новых, яшчэ больш фундамэнтальных часьціц. У гэтым выпадку квантаваньне зарада назіраных часьціц не ўяўляецца дзіўным, паколькі яно ўзьнікае «па пабудове».
• Не выключана таксама, што ўсе парамэтры назіраных часьціц будуць апісаны ў межах адзінай тэорыі поля, падыходы да якой распрацоўваюцца ў цяперашні час. У такіх тэорыях велічыня электрычнага зарада часьціц павінна вылічвацца зь вельмі невялікага ліку фундамэнтальных парамэтраў, магчыма, зьвязаных са структурай прасторы-часу на звышмалых адлегласьцях. Калі такая тэорыя будзе пабудавана, тады тое, што мы назіраем як элемэнтарны электрычны зарад, апынецца некаторым дыскрэтным інварыянтам прасторы-часу. Аднак, канкрэтных агульнапрынятых вынікаў у гэтым кірунку пакуль няма.

Дробны электрычны зарад

Пасьля адкрыцьця кваркаў стала зразумела, што элемэнтарныя часьціцы могуць мець дробны электрычны зарад, напрыклад ⅓ і ⅔ элемэнтарнага. Аднак падобныя часьціцы існуюць толькі ў зьвязаных станах, такім чынам усе вядомыя вольныя часьціцы маюць электрычны зарад, кратны элемэнтарнаму, хоць расьсейваньне на часьціцах з дробным зарадам назіралася.

Неаднаразовыя пошукі свабодных аб’ектаў з дробным электрычным зарадам, якія праводзяцца рознымі мэтодыкамі на працягу доўгага часу, не далі пакукль выніку. Варта, аднак, адзначыць, што электрычны зарад квазічасьціц можа быць ня кратны цэлым.

У прыватнасьці, менавіта квазічасьціцы з дробным электрычным зарадам адказваюць за дробны квантавы эфэкт Хола.

Экспэрымэнтальнае вызначэньне элемэнтарнага электрычнага зараду

З дапамогай ліку Авагадра й пастаяннай Фарадэя

Калі вядомыя канстанта Авагадра N_A і канстанта Фарадэя F, влічыню элемэнтарнага зарада можна вылічыць, карыстаючыся формулай:

${\displaystyle e={\frac {F}{N_{\mathrm {A} }}}}$

Інакш кажучы, зарад аднаго моля электронаў, падзелены на лік электронаў у моле, роўны зараду аднаго электрона. Дадзены мэтад ня ёсьць абсалютна дакладны, але ўсё адно дае досыць дасканалыя вынікі.

Вопыт Мілікена

Асноўны артыкул: Вопыт Мілікена

Вядомы вопыт па вымярэньні зарада электрона. Ідэя экспэрымэнту заключаецца ў знаходжаньні балянсу паміж сілай вагі, сілай Стокса і электрычным адштурхоўваньнем. Кіруючы магутнасьцю электрычнага поля, Мілікен і Флэтчар ўтрымлівалі дробныя кропелькі алею ў мэханічнай раўнавазе. Паўтарыўшы экспэрымэнт для некалькіх кропель, навукоўцы пацьвердзілі, што агульны зарад кроплі складаецца зь некалькіх элемэнтарных. Значэньне зарада электрона ў вопыце 1911 року атрымалася роўным 1,5924(17)·10⁻¹⁹ Кл, што на 1% адрозьніваецца ад сучаснага значэньня ў 1,602176565(35)·10⁻¹⁹ Кл.

З дапамогай эфэкту Джозэфсана й канстанты фон Клітцынга

Іншым дакладным мэтадам вымярэньня элемэнтарнага зарада зьяўляецца вылічэньне яго з назіраньня двух эфэктаў квантавай мэханікі: эфэкту Джозэфсана, пры якім узьнікаюць ваганьні напружаньня ў пэўнай звышправоднай структуры й квантавага эфэкту Хола, эфэкту квантаваньня холаўскага супраціўленьня або праводнасьці двухмернага электроннага газу ў моцных магнітных палях і пры нізкіх тэмпэратурах. Канстанта Джозэфсана

${\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}}$, дзе h — пастаянная Плянка.

можа быць вымераная з дапамогаю эфэкту Джозэфсана.

Канстанта фон Клітцынга

${\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}},}$

можа быць вымераная з дапамогаю эфэкту Хола.

З гэтых дзьвюх канстант вылічаецца велічыня элемэнтарнага зарада:

${\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}.}$.

Мэтад CODATA

У апошніх вэрсіях CODATA элемэнтарны зарад не незалежна вызначаная велічыня. Замест гэтага значэньне атрымліваецца з дачыненьня

${\displaystyle e^{2}={\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c}}=2h\alpha \epsilon _{0}c}$

дзе h — гэта пастаянная Плянка, α — зьяўляецца канстантай тонкай структуры, μ₀ — зьяўляецца магнітнай пастаяннай, ε₀ — зьяўляецца электрычнай пастаяннай, c — хуткасьць сьвятла. Нявызначанасьць у значэньні зарада e ўзьнікае з-за нявызначанасьці значэньня пастаяннай Плянка.

Глядзіце таксама

• Электрон
• Пратон

Крыніцы

1. CODATA: Fundamental Physical Constants — Complete Listing
2. ^ Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. — М.: 2006. — С. 96—105. — 368 с. — 400 ас. — ISBN 5-9221-0728-3