Кіріспе

Протонның немесе электронның тасымалдаған заряды

Элементар заряд, әдетте e деп белгіленеді, – бір протонның тасымалдаған электр заряды немесе, эквивалентті түрде, бір электронның тасымалдаған теріс электр зарядының шамасы ретінде анықталатын негізгі физикалық тұрақты, оның заряды −1-ге тең. Халықаралық бірліктер жүйесінде (СИ) элементар зарядтың мәні дәл 1.602176634 × 10⁻¹⁹ кулонға (Кл) немесе 160.2176634 зептокулонға (зКл) тең деп анықталған. 2019 жылы СИ негізгі бірліктерінің қайта анықталуынан бері, жеті СИ негізгі бірлігі жеті негізгі физикалық тұрақтымен анықталады, олардың бірі – элементар заряд. Сантиметр-грамм-секунд жүйесінде (СГС) сәйкес келетін шама 4.8032047 құрайды. Роберт А. Милликан және Харви Флетчердің май тамшысы тәжірибесі 1909 жылы элементар зарядтың шамасын тікелей өлшеді, бұл қазіргі қабылданған мәннен тек 0,6% ғана ерекшеленді. Сол кездегі даулы атом теориясының болжамдары бойынша, Макс Планк 1901 жылы қара дене сәулесі спектрінен элементар зарядты ~3% дәлдікпен жанама түрде, ал Иоганн Лошмидт 1865 жылы Авогадро санын өлшеу арқылы (Фарадей тұрақтысы арқылы) шамамен дәлдікпен анықтаған.

Кванттық есептеу

Зарядты кванттау – кез келген дененің заряды элементар зарядтың толық сан есесіне тең болатын қағида. Сондықтан, дененің заряды нақты 0 *e*, немесе нақты 1 *e*, −1 *e*, 2 *e* сияқты мәндерді қабылдауы мүмкін, бірақ *e* немесе −3.8 *e* сияқты мәндерді қабылдамайды. (Бұл тұжырымға «дене» қалай анықталғанына байланысты ерекшеліктер болуы мүмкін; төменде қараңыз.) «Элементар заряд» терминінің себебі – оның зарядтың үндемейтін бірлігі екенін көрсетеді.

Бөлшек элементтік заряд

Элементар зарядтың бөлінбеушілігіне екі белгілі ерекшелік бар: кварктар мен квазибөлшектер. 1960 жылдары алғаш рет болжалған кварктар квантталған зарядқа ие, бірақ зарядтың квантталуы e-нің бөлшектерімен анықталады. Дегенмен, кварктарды жекелендіру мүмкін емес; олар тек топтарда ғана кездеседі, ал кварктардың тұрақты топтары (мысалы, үш кварктан тұратын протон) барлық жағдайда e-нің толық еселігіне тең зарядқа ие. Осы себепті, 1 e немесе e контекске байланысты "заряд кванты" деп санауға болады. Бұл зарядтың пропорционалдығы, "зарядты кванттау" Ұлы біріктірілген теориялардың дамуына ықпал етті. Квазибөлшектер – бұл қазіргі мағынада бөлшектер емес, бірақ күрделі материалдық жүйеде туындайтын және бөлшектер сияқты қасиет көрсететін құбылыс. 1982 жылы Роберт Лафлин фракциялық кванттық Холл эффектін фракциялық зарядталған квазибөлшектердің бар екендігін жорамалдау арқылы түсіндірді. Бұл теория қазір кеңінен қабылданды, бірақ бұл зарядты кванттау принципін бұзу деп есептелмейді, себебі квазибөлшектер элементар бөлшектер емес.

Зарядтың кванты

Барлық белгілі элементар бөлшектер, кварктарды қоса алғанда, e-нің толық еселігіндегі зарядтарға ие. Сондықтан, "заряд кванты" – e. Бұл жағдайда, "элементар заряд" "заряд квантынан" үш есе үлкен дейміз. Екінші жағынан, барлық жекелене алатын бөлшектердің зарядтары e-нің толық еселігінде болады. (Кварктарды жекелендіру мүмкін емес: олар тек е-нің толық еселігіндегі жалпы зарядтары бар протон сияқты жиынтық күйлерде ғана кездеседі.) Демек, "заряд кванты" – e, бірақ кварктар ескерілмейді. Бұл жағдайда, "элементар заряд" "заряд квантымен" мағынасы бірдей болады. Шындығында, екі термин де қолданылады. Осы себепті, "заряд кванты" немесе "зарядтың үндемейтін бірлігі" сияқты тіркестер, қосымша нақтылау берілмесе, мағынасы шала болуы мүмкін. Ал "элементар заряд" термині нақты: ол протон зарясына тең зарядты білдіреді.

Қисма зарядтардың болмауы

Пауль Дирак 1931 жылы егер магниттік монопольдер болса, онда электр заряды квантталған болуы керек деді; бірақ магниттік монопольдердің іс жүзінде бар-жоғы әлі белгісіз. Оқшауланатын бөлшектердің неліктен бүтін сан зарядтарымен ғана шектелетіні қазірге дейін белгісіз, ал струна теориясының көп бөлігі бөлшек зарядтарға мүмкіндік беретін сияқты көрінеді.

Элементар зарядтың эксперименттік өлшеулері

Элементар заряд 2019 жылдың 20 мамырынан бастап Халықаралық бірліктер жүйесімен нақты белгіленген. Осы өзгеріске дейін элементар заряд өлшенетін шама болып, оның мөлшері тәжірибелік жолмен анықталған. Бұл бөлім осы тарихи тәжірибелік өлшемдерді қамтиды.

Май тамшысының эксперименті

E-ді өлшеудің танымал әдісі – Милликеннің май тамшысы тәжірибесі. Электр өрісіндегі майдың кішкентай тамшысы, гравитация, тұтқырлық (ауа арқылы қозғалу) және электр күшінің теңесетін жылдамдықпен қозғалады. Гравитация және тұтқырлық күштерін май тамшысының мөлшері мен жылдамдығына сүйене отырып есептеуге болады, соның салдарынан электр күшін анықтауға болады. Электр күші – электр заряды мен белгілі электр өрісінің көбейтіндісі болғандықтан, май тамшысының электр зарядын дәл есептеуге болады. Көптеген әртүрлі май тамшыларының зарядтарын өлшеу арқылы, зарядтардың барлығы бір кішкентай зарядтың, атап айтқанда e-нің толық есеуі екенін көруге болады. Біркелкі мөлшердегі ұсақ пластикалық шарларды пайдалану арқылы май тамшыларының мөлшерін өлшеу қажеттілігін жоюға болады. Электр өрісінің күшін реттеу арқылы шарды қозғалмай тұруын қамтамасыз етуге болады.

Атыс шуы

Кез келген электр тогы әртүрлі көздерден туындайтын шумен байланысты болады, соның бірі – атыс шуы. Атыс шуының себебі ток үздіксіз ағыс емес, керісінше, ток дискретті электрондардан тұрады, олар бірінен кейін бірі өтеді. Тоқтың шуын мұқият талдау арқылы электрон зарядын есептеуге болады. Бұл әдісті алғаш рет Уолтер Х. Шотки ұсынған, ол электрон зарядының (e) мәнін бірнеше пайыздық қателікпен анықтауға мүмкіндік береді. Дегенмен, бұл әдіс фракциялық кванттық Холл эффектісінде маңызды рөл атқаратын Лафлин квазибөлшектерін алғашқы рет тікелей байқау үшін қолданылды.

Элементар зарядтың жалпыға бірдейлігін тексеру

+ Бөлік Күтілетін заряд Эксперименттік шектеу Ескертулер электронды дәл, анықтама бойынша протоны SF6 газына шар тәрізді резонаторда ауыспалы электр өрісі қолданғанда ешқандай өлшенетін дыбыс табылмайды. позитронды антипротон зарядының ең жақсы өлшенген мәнін (төменде) CERN-дегі ALPHA ынтымақтастығы антисутек таза зарядына қойған ең төменгі шекпен ескере отырып анықталады. антипротон Hori және басқалар, Particle Data Group-тың antiproton/proton charge difference тізімінде келтірілгендей. Particle Data Group мақаласында бөлшектер туралы деректердің қазіргі онлайн нұсқасына сілтеме бар.