Введение

Элементарный заряд, обычно обозначаемый *e*, является фундаментальной физической константой, определяемой как электрический заряд, переносимый одним протоном или, эквивалентно, абсолютная величина отрицательного электрического заряда, переносимого одним электроном, который имеет заряд −1. В системе СИ значение элементарного заряда точно определено как 1,602176634 × 10⁻¹⁹ кулон или 160,2176634 зептокулона (зК). С момента переопределения основных единиц СИ в 2019 году семь основных единиц СИ определяются семью фундаментальными физическими константами, одной из которых является элементарный заряд. В системе единиц сантиметр-грамм-секунда (СГС) соответствующая величина равна 4,8032047. Эксперимент с масляной каплей, проведенный Робертом Милликаном и Харви Флетчером, впервые непосредственно измерил величину элементарного заряда в 1909 году, отличаясь от современного принятого значения всего на 0,6%. Основываясь на предположениях тогдашней спорной атомной теории, элементарный заряд также был косвенно определен с точностью около 3% по спектру абсолютно черного тела Максом Планком в 1901 году и (через постоянную Фарадея) с точностью до порядка величины по измерению числа Авогадро Иоганном Лошмидтом в 1865 году.

Квантование

Квантизация заряда — это принцип, согласно которому заряд любого объекта кратен элементарному заряду. Таким образом, заряд объекта может быть точно 0 *e*, или точно 1 *e*, −1 *e*, 2 *e* и т. д., но не *e*, или −3,8 *e* и т. д. (В зависимости от определения "объекта" могут существовать исключения из этого утверждения; см. ниже.) Именно поэтому используется термин "элементарный заряд": он подразумевает, что это неделимая единица заряда.

Дробный элементарный заряд

Известно два вида исключений из неделимости элементарного заряда: кварки и квазичастицы. Кварки, впервые предложенные в 1960-х годах, имеют квантованный заряд, но их заряд квантуется в долях e. Однако кварки нельзя изолировать; они существуют только в группах, а стабильные группы кварков (например, протон, состоящий из трех кварков) имеют заряды, кратные целому числу e. Поэтому, в зависимости от контекста, 1 e или e/3 могут обоснованно считаться "квантом заряда". Эта соизмеримость заряда, или "квантизация заряда", частично послужила мотивацией для создания Великих объединенных теорий. Квазичастицы – это не частицы в строгом смысле, а скорее возникающее образование в сложной материальной системе, которое ведет себя как частица. В 1982 году Роберт Лафлин объяснил дробный квантовый эффект Холла, предположив существование квазичастиц с дробным зарядом. Эта теория сейчас широко признана, но она не рассматривается как нарушение принципа квантизации заряда, поскольку квазичастицы не являются элементарными частицами.

Квант заряда

Все известные элементарные частицы, включая кварки, имеют заряды, кратные e целому числу раз. Следовательно, "квант заряда" равен e. В этом случае можно сказать, что "элементарный заряд" в три раза превышает "квант заряда". С другой стороны, все изолируемые частицы имеют заряды, кратные e целому числу раз. (Кварки не могут быть изолированы: они существуют только в составе коллективных состояний, таких как протоны, суммарные заряды которых кратны e целому числу раз.) Таким образом, "квант заряда" равен e, с оговоркой, что кварки не рассматриваются. В этом случае "элементарный заряд" был бы синонимом "кванта заряда". На практике используются оба термина. По этой причине выражения "квант заряда" или "неделимая единица заряда" могут быть неоднозначными без дополнительных уточнений. В отличие от этого, термин "элементарный заряд" однозначен: он обозначает величину заряда, равную заряду протона.

Отсутствие дробных зарядов

Пол Дирак утверждал в 1931 году, что если магнитные монополи существуют, то электрический заряд должен быть квантован, однако существование магнитных монополей до сих пор не подтверждено. В настоящее время неясно, почему наблюдаемые частицы обладают только целыми электрическими зарядами, в то время как значительная часть пространства решений в теории струн допускает дробные заряды.

Экспериментальные измерения элементарного заряда

Элементарный заряд точно определён с 20 мая 2019 года Международной системой единиц. До этого изменения элементарный заряд являлся измеряемой величиной, значение которой определялось экспериментальным путём. В этом разделе обобщены исторические экспериментальные измерения, проводившиеся ранее.

Эксперимент с каплями масла

Известным методом измерения e является эксперимент Милликана с масляной каплей. Маленькая капля масла в электрическом поле двигалась бы со скоростью, уравновешивающей силы гравитации, вязкого сопротивления (при движении в воздухе) и электрическую силу. Силы, обусловленные гравитацией и вязкостью, можно было рассчитать, исходя из размера и скорости капли масла, что позволяло определить электрическую силу. Поскольку электрическая сила, в свою очередь, является произведением электрического заряда и известного электрического поля, можно было точно вычислить электрический заряд капли масла. Измеряя заряды множества различных капель масла, можно увидеть, что все заряды являются целочисленными кратами одного малого заряда, а именно e.

Необходимость измерения размера масляных капель можно устранить, используя крошечные пластиковые сферы одинакового размера. Силу вязкого сопротивления можно устранить, регулируя напряженность электрического поля таким образом, чтобы сфера оставалась неподвижной.

Шум выстрелов

Любой электрический ток сопровождается шумом от различных источников, одним из которых является дробовой шум. Дробовой шум возникает из-за того, что ток не представляет собой гладкий непрерывный поток, а состоит из дискретных электронов, проходящих по одному. Тщательно анализируя шум тока, можно рассчитать заряд электрона. Этот метод, впервые предложенный Вальтером Х. Шоттки, позволяет определить значение e с точностью, ограниченной несколькими процентами. Тем не менее, он был использован при первом непосредственном наблюдении квазичастиц Лофлина, связанных с дробным квантовым эффектом Холла.

Испытания универсальности элементарного заряда

+ Частица Ожидаемый заряд Экспериментальное ограничение Примечания электрон точный по определению протон путем отсутствия измеримого звука при приложении переменного электрического поля к газу SF6 в сферическом резонаторе позитрон путем объединения наилучшего измеренного значения заряда антипротона (ниже) с нижним пределом чистого заряда антиводорода, установленным коллаборацией ALPHA в CERN. антипротон Хори и др., как указано в перечне разности зарядов антипротона и протона, опубликованном Группой по данным о частицах. Статья Группы по данным о частицах содержит ссылку на текущую онлайн-версию данных о частицах.