Alkeissähkövaraus

Alkuainevaraus  on fysikaalinen perusvakio , luonnossa vapaissa pitkäikäisissä hiukkasissa havaittu sähkövarauksen vähimmäisosuus ( kvantti ) . Perusyksiköiden määritelmien muutosten mukaan SI on täsmälleen 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] kansainvälisessä yksikköjärjestelmässä (SI) [2] . Liittyy läheisesti hienorakennevakioon , joka kuvaa sähkömagneettista vuorovaikutusta [3] .

Sähkövarauksen kvantisointi

Mikä tahansa kokeessa havaittu sähkövaraus on aina yhden alkeisvarauksen kerrannainen - B. Franklin  teki sellaisen oletuksen vuonna 1752 , ja se vahvistettiin myöhemmin toistuvasti kokeellisesti. Alkuainevarauksen mittasi ensimmäisen kerran kokeellisesti Millikan vuonna 1910 [3] .

Sitä tosiasiaa, että sähkövaraus esiintyy luonnossa vain kokonaislukumääränä alkuainevarauksia, voidaan kutsua sähkövarauksen kvantisoinniksi . Samaan aikaan klassisessa sähködynamiikassa kysymystä varauskvantisoinnin syistä ei käsitellä, koska varaus on ulkoinen parametri, ei dynaaminen muuttuja. Tyydyttävää selitystä sille, miksi varaus pitää kvantisoida, ei ole vielä löydetty, mutta mielenkiintoisia havaintoja on jo saatu.

• Jos luonnossa on magneettinen monopoli , niin kvanttimekaniikan mukaan sen magneettisen varauksen tulee olla tietyssä suhteessa minkä tahansa valitun alkuainehiukkasen sähkövaraukseen . Tästä seuraa automaattisesti, että vain yhden magneettisen monopolin olemassaolo edellyttää kaikkien universumin sähkövarausten kvantisoimista. Magneettista monopolia ei kuitenkaan ollut mahdollista havaita luonnossa.
• Nykyaikaisessa hiukkasfysiikassa kehitetään malleja, kuten preon , joissa kaikki tunnetut perushiukkaset osoittautuvat uusien, vielä perustavampien hiukkasten yksinkertaisiksi yhdistelmiksi. Tässä tapauksessa havaittujen hiukkasten varauksen kvantisointi ei vaikuta yllättävältä, koska se syntyy "rakenteesta".
• On myös mahdollista, että kaikki havaittujen hiukkasten parametrit kuvataan yhtenäisen kenttäteorian puitteissa, jonka lähestymistapoja kehitetään parhaillaan. Tällaisissa teorioissa hiukkasten sähkövarauksen suuruus on laskettava erittäin pienestä määrästä perusparametreja, jotka mahdollisesti liittyvät aika-avaruuden rakenteeseen ultrapienillä etäisyyksillä. Jos tällainen teoria rakennetaan, niin se, mitä havaitsemme alkeissähkövarauksena, osoittautuu diskreetiksi aika-avaruusinvariantiksi (sanotaan topologiseksi). Tällainen lähestymistapa on kehitetty esimerkiksi S. Bilson-Thompsonin mallissa [4] , jossa Standardimallin fermionit tulkitaan kolmeksi punoksiksi punottuksi tila-aikanauhaksi (brad) ja sähkövaraukseksi. (tarkemmin sanottuna kolmasosa siitä) vastaa 180° nauhalle kierrettyä nauhaa. Tällaisten mallien tyylikkyydestä huolimatta erityisiä yleisesti hyväksyttyjä tuloksia tähän suuntaan ei ole vielä saatu.

Murtomääräinen sähkövaraus

Kvarkkien löytämisen myötä kävi selväksi, että alkuainehiukkasilla voi olla murto - osainen sähkövaraus , esimerkiksi 1⁄3 ja 2⁄3 alkuvarauksesta . Tällaisia ​​hiukkasia on kuitenkin vain sidotuissa olomuodoissa (rajoittuneisuus ) , joten lähes kaikilla tunnetuilla vapailla hiukkasilla (ja kaikilla stabiileilla ja pitkäikäisillä) on sähkövaraus, joka on alkuainevarauksen kerrannainen, vaikka murtovarautuneiden hiukkasten sirontaa on havaittu. havaittu.

Poikkeuksena on t-kvarkki , jonka elinikä (~1⋅10 −25 ) on niin lyhyt, että se hajoaa ennen kuin se ehtii läpikäydä hadronisoitumisen ja esiintyy siksi vain vapaassa muodossa. T-kvarkin varaus suorien mittausten mukaan on + 2 ⁄ 3 e [5] .

Pitkäikäisten vapaiden esineiden, joilla on murto-osainen sähkövaraus, pitkän ajan eri menetelmillä tehdyt haut eivät ole tuottaneet tuloksia.

On kuitenkin huomattava, että kvasihiukkasten sähkövaraus ei myöskään välttämättä ole kokonaisuuden kerrannainen. Erityisesti kvasihiukkaset, joilla on murto-osainen sähkövaraus, ovat vastuussa osakvantti Hall -ilmiöstä .

Alkuperäisen sähkövarauksen kokeellinen määritelmä

Avogadron luku ja Faradayn vakio

Jos Avogadron luku N A ja Faraday-vakio F tunnetaan , voidaan alkusähkövarauksen arvo laskea kaavalla

(Toisin sanoen yhden elektronimoolin varaus jaettuna moolissa olevien elektronien lukumäärällä on yhtä suuri kuin yhden elektronin varaus.)

Verrattuna muihin, tarkempiin menetelmiin, tämä menetelmä ei tarjoa suurta tarkkuutta, mutta silti sen tarkkuus on melko korkea. Alla on tämän menetelmän yksityiskohdat.

Avogadro - vakion NA arvon mittasi ensin likimääräisesti Johann Josef Loschmidt , joka vuonna 1865 määritti ilmamolekyylien koon kaasukineettisesti , mikä vastaa tietyssä kaasutilavuudessa olevien hiukkasten lukumäärän laskemista [6 ] . Nykyään N A :n arvo voidaan määrittää erittäin suurella tarkkuudella käyttämällä erittäin puhtaita kiteitä (yleensä piikiteitä ) mittaamalla atomien välinen etäisyys röntgendiffraktiolla ; tai muulla tavalla kiteen tiheyden tarkalla mittauksella. Täältä löydät yhden atomin massa ( m ), ja koska moolimassa ( M ) tiedetään, voidaan moolissa olevien atomien lukumäärä laskea seuraavasti: N A \ u003d M / m .

F :n arvo voidaan mitata suoraan Faradayn elektrolyysilakien avulla . Faradayn elektrolyysin lait määrittelevät kvantitatiiviset suhteet Michael Faradayn vuonna 1834 julkaisemiin sähkökemiallisiin tutkimuksiin [7] . Elektrolyysikokeissa on yksi yhteen vastaavuus anodin ja katodin välillä kulkevien elektronien lukumäärän ja elektrodilevylle kerrostuneiden ionien määrän välillä. F voidaan päätellä mittaamalla anodin ja katodin massamuutokset sekä elektrolyytin läpi kulkeva kokonaisvaraus (joka voidaan mitata sähkövirran aikaintegraalina ) ja myös ionien moolimassalla . .

Menetelmän tarkkuuden rajoitus on F :n mittauksessa . Parhaiden kokeellisten arvojen suhteellinen virhe on 1,6 ppm , mikä on noin kolmekymmentä kertaa suurempi kuin muissa nykyaikaisissa menetelmissä perusvarauksen mittaamiseen ja laskemiseen.

Millikanin kokemus

Tunnettu kokemus elektronin varauksen e mittaamisesta . Pieni öljypisara sähkökentässä liikkuu sellaisella nopeudella , että painovoima , Stokes-voima (ilman viskositeetin johdannainen) ja sähkövoima kompensoituvat . Pisaran koosta ja nopeudesta sähkökentän puuttuessa voidaan laskea painovoima ja Stokes, joista voidaan määrittää myös pisaroon vaikuttava sähkövoima. Koska sähkövoima puolestaan ​​on verrannollinen kokeessa annettuun sähkövarauksen ja tunnetun sähkökentänvoimakkuuden tuloon, voidaan öljypisaran sähkövaraus laskea tarkasti. Näissä kokeissa eri öljypisaroiden mitatut varaukset olivat aina yhden pienen arvon kokonaislukukertoja, nimittäin e .

Shot noise

Kaikkiin sähkövirtaan liittyy elektronista kohinaa eri lähteistä, joista yksi on laukauskohina . Laukauskohinan olemassaolo johtuu siitä, että virta ei ole jatkuvaa, vaan koostuu erillisistä elektroneista , jotka tulevat vuorotellen elektrodiin. Virtakohinan huolellisella analysoinnilla voidaan laskea elektronin varaus. Tämä Walter Schottkyn ensimmäisenä ehdottama menetelmä voi antaa e :n arvon muutaman prosentin tarkkuudella [8] . Sitä käytettiin kuitenkin Laughlinin ensimmäisessä suorassa havainnossa kvasihiukkasista , jotka osallistuivat murtokvantti- Hall -ilmiöön [9] .

Josephson-efekti ja von Klitzingin vakio

Toinen tarkka menetelmä alkuainevarauksen mittaamiseen on laskea se havainnoimalla kahta kvanttimekaniikan vaikutusta : Josephson-ilmiötä , jossa tietyssä suprajohtavassa rakenteessa esiintyy jännitevaihteluita ja kvantti-Hall-ilmiötä , Hallin vastuksen kvantisoinnin vaikutusta. tai kaksiulotteisen elektronikaasun johtavuus vahvoissa magneettikentissä ja matalissa lämpötiloissa. Josephsonin vakio

missä h  on Planckin vakio , voidaan mitata suoraan Josephsonin efektin avulla .

Von Klitzin vakio

voidaan mitata suoraan kvantti Hall - efektillä .

Näistä kahdesta vakiosta voidaan laskea alkuvarauksen suuruus:

Muistiinpanot

1. ↑ Perusmaksu  . _ NIST-viite vakioista, yksiköistä ja epävarmuustekijöistä . Yhdysvaltain kansallinen standardi- ja teknologiainstituutti . Haettu: 20.5.2020.
2. ↑ CGSE -järjestelmässä perusvaraus on täsmälleen 4.803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. Arvo CGSE-yksikköinä saadaan CODATA-arvon kuloneina muuntamalla, kun otetaan huomioon se tosiasia, että kuloni on täsmälleen yhtä suuri kuin 2 997 924 580 CGSE-sähkövarausyksikköä ( franklinia tai statcoulombia).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Fysikaaliset perusvakiot historiallisista ja metodologisista näkökohdista. - M .: Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 s. - 400 kappaletta.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ Yhdistelmäpreonien topologinen malli  (linkki ei saatavilla) es.arXiv.org
5. ↑ Abazov VM et ai. ( DØ Yhteistyö ). Kokeellinen erottelu varauksen 2 e /3 huippukvarkin ja varauksen 4 e /3 eksoottisen kvarkin tuotantoskenaarioiden  välillä (englanniksi)  // Physical Review Letters  : Journal. - 2007. - Voi. 98 , ei. 4 . — P. 041801 . - doi : 10.1103/PhysRevLett.98.041801 . - . - arXiv : hep-ex/0608044 . — PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (saksa)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , no. 2 . - S. 395-413 . Englanninkielinen käännös Arkistoitu alkuperäisestä 7. helmikuuta 2006. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faradayn sähkökemialliset lait ja ekvivalenttipainojen määritys  //  Journal of Chemical Education : päiväkirja. - 1954. - Voi. 31 , ei. toukokuuta . - s. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Physics Today. - 2003. - Toukokuu ( osa 56 , nro 5 ) - s. 37-42 . - doi : 10.1063/1.1583532 . - arXiv : cond-mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. et ai. Murtovarauksen suora havainto  (englanniksi)  // Luonto. - 1997. - Voi. 389 , no. 162-164 . - s. 162 . - doi : 10.1038/38241 . - . .