Элементарны электрычны зарад: Розніца паміж версіямі

др
афармленне, стыль, арфаграфія
[недагледжаная версія][недагледжаная версія]
дрНяма тлумачэння праўкі
др (афармленне, стыль, арфаграфія)
'''Элементарны электрычны зарад''' - — фундаментальная фізічная пастаянная, мінімальная порцыя ([[квант]]) [[Электрычны зарад|электрычнага зарада]]. Роўны прыблізна 1,602176565(35)·10<sup>−19</sup> [[Кулон, адзінка вымярэння|Кл]] <ref name="CODATA allascii">[http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt CODATA: Fundamental Physical Constants  — Complete Listing]</ref> ў Міжнароднай сістэме адзінак ([[СІ, міжнародная сістэма адзінак вымярэння|СІ]]) (4,803529695(105)·10<sup>−10</sup> адз. СГСЭ ў сістэме [[СГС]]). Цесна звязаны з [[пастаянная тонкай структуры|пастаяннай тонкай структуры]], якая апісвае [[электрамагнітнае ўзаемадзеянне ]]<ref name="Томилин">{{кніга |аўтар = Томилин К. А. |загаловак = Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах |месца = М. |выдаўніцтва =Физматлит |год = 2006 |старонкі = 96-105 |старонкі = 368 |isbn = 5-9221-0728-3 |тыраж= 400}}</ref>.
 
== Квантаванне электрычнага зарада ==
''Любы назіраны ў эксперыменце электрычны зарад заўсёды кратны элементарнаму'' - — такое меркаванне было выказана [[Бенджамін Франклін|Б. Франклінам]] ўу [[1752]] годзе і ў далейшым неаднаразова правяралася эксперыментальна. Упершыню элементарны зарад быў эксперыментальна вымераны Мілікенам ў [[1910]] годзе <ref name="Томилин" />.
''
Любы назіраны ў эксперыменце электрычны зарад заўсёды кратны элементарнаму'' - такое меркаванне было выказана [[Бенджамін Франклін|Б. Франклінам]] ў [[1752]] годзе і ў далейшым неаднаразова правяралася эксперыментальна. Упершыню элементарны зарад быў эксперыментальна вымераны Мілікенам ў [[1910]] годзе <ref name="Томилин" />.
 
Той факт, што электрычны зарад сустракаецца ў прыродзе толькі ў выглядзе цэлага ліку элементарных зарадаў, можна назваць '''квантаваннем электрычнага зарада'''. Пры гэтым у [[Класічная электрадынаміка|класічнай электрадынаміцы]] пытанне аб прычынах квантавання зарада не абмяркоўваецца, паколькі зарад з'яўляеццаз’яўляецца знешніх параметрам, а не дынамічнай зменнай. Здавальняючага тлумачэння, чаму зарад абавязаны квантавацца, пакуль не знойдзена, аднак ужо атрыманы шэраг цікавых назіранняў.
 
* Калі ў прыродзе існуе [[магнітны манаполь]], то, згодна з квантавай механікай, яго магнітны зарад абавязаны знаходзіцца ў пэўных суадносінах з зарадам любой абранайвыбранай элементарнай часціцы. Адсюль аўтаматычна вынікае, што адно толькі існаванне магнітнага манаполя цягне за сабой квантаванне зарада. Аднак выявіць у прыродзе магнітныя манаполі не ўдалося.
* У сучаснай [[Фізіка элементарных часціц|фізіцы элементарных часціц]] распрацоўваюцца мадэлі накшталт преоннай{{нп5|прэон|прэоннай|ru|Преон}}, у якіх усе вядомыя фундаментальныя часціцы аказваліся б простымі камбінацыямі новых, яшчэ больш фундаментальных часціц. У гэтым выпадку квантаванне зарада назіраных часціц не ўяўляецца дзіўным, паколькі яно ўзнікае «па пабудове».
* Не выключана таксама, што ўсе параметры назіраных часціц будуць апісаны ў рамках адзінай тэорыі поля, падыходы да якой распрацоўваюцца ў цяперашні час. У такіх тэорыях велічыня электрычнага зарада часціц павінна вылічвацца з вельмі невялікага ліку фундаментальных параметраў, магчыма, звязаных са структурай прасторы-часу на звышмалых адлегласцях. Калі такая тэорыя будзе пабудавана, тады тое, што мы назіраем як элементарны электрычны зарад, апынеццаакажацца некаторым дыскрэтным інварыянтам прасторы-часу. Аднак, канкрэтных агульнапрынятых вынікаў у гэтым кірунку пакуль не атрымана.
 
== Дробны электрычны зарад ==
 
З адкрыццём [[кварк]]аў стала зразумела, што элементарныя часціцы могуць валодаць дробавымдробным электрычным зарадам, напрыклад, {{Дроб|1|3}} і {{Дроб|2|3}} элементарнага. Аднак падобныя часціцы існуюць толькі ў звязаных станах, такім чынам, усе вядомыя свабодныя часціцы маюць [[электрычны зарад]], кратны элементарнаму, хоць рассейванне на часціцах з дробным зарадам назіралася.
 
Неаднаразовыя пошукі свабодных аб'ектаўаб’ектаў з дробным электрычным зарадам, якія праводзяцца рознымі методыкамі на працягу доўгага часу, не далі выніку.
 
Варта, аднак, адзначыць, што электрычны зарад квазічасціц можа быць не кратны цэлымцэламу. У прыватнасці, менавіта квазічасціцы з дробным электрычным зарадам адказваюць за {{нп5|дробны квантавы эфект Хола||ru|Дробный квантовый эффект Холла}}.
 
== Эксперыментальнае вызначэнне элементарнага электрычнага зараду ==
=== З дапамогай [[Лік Авагадра|ліку Авагадра]] і пастаяннай Фарадэя ===
 
=== З дапамогай [[Лік Авагадра|ліку Авагадра]] і пастаяннай Фарадэя ===
Калі вядомыя лік Авагадра ''N<sub>A</sub>'' і пастаянная Фарадэя ''F'', велічыню элементарнага электрычнага зарада можна вылічыць, выкарыстоўваючы формулу
::<math>e = \frac{F}{N_{\mathrm{A}}} </math>
 
Калі вядомыя [[лік Авагадра]] ''N<sub>A</sub>'' і [[пастаянная Фарадэя]] ''F'', велічыню элементарнага электрычнага зарада можна вылічыць, выкарыстоўваючы формулу
(Іншымі словамі, зарад аднаго молячы электронаў, дзелены на лік электронаў у Моле, роўны зараду аднаго электрона.)
:: <math>e = \frac{F}{N_{\mathrm{A}}}. </math>
 
(Іншымі словамі, зарад аднаго молячы[[моль|моля]] электронаў, дзелены на лік электронаў у Молемолі, роўны зараду аднаго электрона.)
 
У параўнанні з іншымі, больш дакладнымі метадамі, гэты метад не дае высокай дакладнасці, але ўсё-такі дакладнасць яго досыць высокая. Ніжэй прыводзяцца падрабязнасці гэтага метаду.
 
Значэнне пастаяннай Авагадра N<sub>A</sub> было ўпершыню апраксімавацьпрыблізна вымерана {{нп5|Іаган Ёзэф Лошмідт|Іаганам Ёзэфам Лошмідтам|ru|Лошмидт, Иоганн Йозеф}}, які ў 1865 годзе вызначыў на газакінетычнай аснове памер малекул паветра, што эквівалентна разліку ліку часціц ў зададзеным аб'ёмеаб’ёме газу.<ref>{{cite journal | first = J. | last = Loschmidt | authorlink = Иоганн Йозеф Лошмидт | title = Zur Grösse der Luftmoleküle | journal = Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien | volume = 52 | issue = 2 | pages = 395–413 | year =1865}} [http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Loschmidt-1865.html English translation].</ref>. Сёння значэнне N<sub>A</sub> можа быць вызначана з вельмі высокай дакладнасцю з выкарыстаннем вельмі чыстых [[Крышталічныя целы|крышталяўкрышталёў]] (як правіла — - крышталяўкрышталёў крэмнію) шляхам вымярэння адлегласці паміж атамамі з выкарыстаннем дыфракцыі [[Рэнтгенаўскае выпраменьванне|рэнтгенаўскіх прамянёў]]; ці іншым спосабам, з дакладным вымярэннем шчыльнасці крышталя. Адсюль можна знайсці [[Маса|масу]] (''m'') аднаго атама, а так як [[малярная маса]] (''M'') вядомая, лік атамаў у малекуле можа быцьможна разлічанаразлічыць так: ''N<sub>A</sub>=M/m''.
 
Велічыня ''F'' можа быць вымеранаявымерана непасрэдна з дапамогай {{нп5|законы электролізу Фарадэя|законаў электролізу Фарадэя|ru|Законы электролиза Фарадея}}. Законы электролізу Фарадэя вызначаюць колькасныя суадносіны, заснаваныя на электрахімічных даследаваннях, апублікаваных [[Майкл Фарадэй|Майклам Фарадэем]] ў [[1834]] годзе.<ref>{{cite journal | author = Ehl, Rosemary Gene | coauthors = Ihde, Aaron | title = Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights | journal = Journal of Chemical Education | year = 1954 | volume = 31 | issue = May | pages = 226–232 | doi = 10.1021/ed031p226 |bibcode = 1954JChEd..31..226E }}</ref>. У эксперыменце [[электроліз]]у існуе ўзаемна-адназначная адпаведнасць паміж колькасцю электронаў, якія праходзяць паміж анодам і катодам, і колькасцю [[іёніон]]аў, якія аселі на пласціне электрода. ВымераючыВымяраючы змены масы анода і катода, а таксама агульны зарад, які праходзіць праз электраліт (які можа быць вымераны як інтэграл па часе ад [[Электрычны ток|электрычнага току]]), а таксама ўлічваючы малярныя масы іёнаўіонаў, можна вывесці ''F''.
 
Абмежаванні на дакладнасць метаду складаеццазаключаюцца ў вымярэнні ''F''. ЛепшыяНайлепшыя эксперыментальнаеэксперыментальныя значэнні маюць адносную хібнасць 1,6 [[праміле]], што прыкладна ў трыццаць разоў больш, чым у іншых сучасных метадах вымярэння і разліку элементарнага зарада.
 
=== Вопыт Мілікена ===
 
Вядомы вопыт па вымярэнні зарада электрона ''e''. Маленькая кропля алею ў электрычным полі будзе рухацца з такой хуткасцюскорасцю, што будуць скампенсаваныя [[Паскарэнне свабоднага падзення|сілы цяжару]], [[закон Стокса|сілы Стокса]] (вытворнай ад глейкасцівязкасці паветра) і электрычныя сілы адштурхвання. Сілы цяжару і Стокса могуць быць разлічаны зыходзячы з памеру і хуткасціскорасці падзення кроплі, адкуль могуць быць вызначаны і электрычныя сілы. Паколькі электрычныя сілы, у сваю чаргу, з'яўляюццаз’яўляюцца прадуктамздабыткам электрычнага зарада і вядомага электрычнага поля, электрычны зарад кроплі алею можа быць дакладна вылічаны. ВымераючыВымярэнне зарадызарадаў розных кропель алею, відавочнапаказвае, што зарады з'яўляюццаз’яўляюцца цэлымі кратнымі адной невялікай велічыні, а менавіта ''e''.
 
=== З дапамогай эфекту Джозэфсана і канстанты фон Клітцынга ===
 
Іншым дакладным метадам вымярэння элементарнага зарада з'яўляеццаз’яўляецца вылічэнне яго з назірання двух эфектаў [[Квантавая механіка|квантавай механікі]]: [[Эфект Джозефсана|эфекту Джозэфсана]], пры якім узнікаюць [[ваганні]] напружання ў пэўнай [[Звышправоднасць|звышправоднай]] структуры, і [[Квантавы эфект Хола|квантавага эфекту Хола]], эфекту квантавання холаўскага супраціўлення або праводнасці двухмернага электроннага газу ў моцных магнітных палях і пры нізкіх тэмпературах. Пастаянная Джозэфсана
 
: <math>K_\mathrm{J} = \frac{2e}{h},</math>, дзе ''h'' - [[пастаянная Планка]].
 
дзе ''h'' — [[пастаянная Планка]],
можа быць вымераная непасрэдна з дапамогай эфекту Джозэфсана.
 
Пастаянная фон Клітцынга
 
: <math>R_\mathrm{K} = \frac{h}{e^2},</math>
 
можа быць вымераная непасрэдна з дапамогай квантавага эфекту Хола.
 
З гэтых двухдзвюх канстант можаможна быцьвылічыць вылічаная велічынявелічыню элементарнага зарада:
 
: <math>e = \frac{2}{R_\mathrm{K} K_\mathrm{J}}.</math>.
 
== Гл. таксама ==
 
* [[Электрон]]
* [[Пратон]]