Элементарный заряд
Элемента́рный электри́ческий заря́д, e, — наименьший электрический заряд, известный в природе. В квантовой механике элементарный заряд рассматривается как минимальная порция (квант) электрического заряда. Величина e элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг.
Современное значение е: e = ≈ 1,6021892 ± 0,0000046 ×10—19 Кл в системе СИ (и 4,803242±0,000014×10—10 ед. СГСЭ в системе СГС). Элементарный электрический заряд тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.[1]
Квантование электрического зарядаПравить
Каждый наблюдаемый в эксперименте электрический заряд постоянно кратен элементарному. Это предположение было высказано Б. Франклином в 1752 г. и неоднократно проверялось экспериментально. Элементарный заряд был вычислен в 1834 г. М. Фарадеем.
Так как электрический заряд встречается в природе только в виде целого числа элементарных зарядов, можно говорить о квантовании электрического заряда. В классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, т.к. заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Общепринятого объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока нет, хотя имеются некоторые заключения:
- Если в природе существует магнитный монополь, то согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Дело лишь за малым: обнаружить в природе магнитный монополь.
- В современной физике элементарных частиц идут поиски модели наподобие преонной, в которой все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц было бы следствием свойств этих фундаментальных частиц.
- Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В такой теории величина электрического заряда частиц должна вычисляться из малого числа фундаментальных параметров, возможно связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Тем не менее, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.
- В субстанциональной модели электрона постоянство заряда электрона связывается с происхождением электронов при бета-распаде нейтронов, когда одновременно возникают протоны и электроны с одинаковым по модулю электрическим зарядом. В таком случае значение заряда электрона вытекает из квантованности свойств нейтрона и обусловлено закономерностями бета-распада.
Дробный электрический зарядПравить
С открытием кварков стало понятно, что элементарные частицы могут обладать дробным электрическим зарядом, например, 1/3 и 2/3 от значения элементарного заряда. Однако частицы, подобные кваркам, существуют только в связанных состояниях (конфайнмент). Таким образом, все известные свободные частицы имеют электрический заряд, кратный элементарному, хотя в некоторых экспериментах наблюдалось рассеяние на частицах с появлением дробного заряда.
Неоднократные поиски свободных объектов с дробным электрическим зарядом, проводимые различными методиками в течение длительного времени, не дали результата.
Стоит однако отметить, что электрический заряд квазичастиц может быть не кратен целому. В частности, именно квазичастицы с дробным электрическим зарядом отвечают за дробный квантовый эффект Холла.