Елементарний заряд

Будь-який електричний заряд q завжди виявляється кратним деякому найменшому заряду –

елементарному заряду, тобто

q = Ne. Тут

N – ціле додатне або від’ємне число, а е позначає

e

елементарний заряд e = 1,602177 ×10−19 Кл. Заряд електрона, таким чином, дорівнює q

= − e.

Перші кроки у визначенні елементарного заряду зробив Фарадей. Досліджуючи явище електролізу, він установив, що для осадження на електроді одного моля одновалентної речовини необхідно пропустити крізь електроліт кількість електрики, яка дорівнює числу Фарадея F. Для

отримання одного моля цієї речовини, іони якої перебувають у розчині у двовалентному стані,

необхідно пропустити удвічі більший заряд, тобто

2 F. Уточнене значення числа Фарадея складає

F = 96484, 56 Кл/моль.

Фарадей не зміг визначити величину цього кванта електрики, оскільки

значення числа Авогадро тоді ще не було відоме. Проте на основі цих досліджень він справедливо зауважив, що носіями електрики є не якісь-там спеціальні рідини, як помилково вважав Франклін, а самі частинки матерії.

A

Величину елементарного заряду вперше оцінив Джордж Стоней у 1891 р., використавши вже

A

відоме йому значення числа Авогадро

N = 6, 02 ×10 23 моль -1, що дає e = F

N =1, 6 ×10 −19 Кл.

Рис. 1.1.1. Схема дослідів Міллікена.

Прямі вимірювання величини заряду електрона вперше провів американський фізик Роберт

Міллікен у

1905K1910 pp. Ідея його дослідів гранично проста. У простір між горизонтальними

пластинами конденсатора вприскуються краплинки масла, рис. 1.1.1. Внаслідок тертя об повітря

деякі краплинки заряджаються, тому характер руху їх залежить від наявності електричного поля. У

відсутності поля на краплину діє сила тяжіння

m g, виштовхувальна сила Архімеда

F A та сила

в’язкого тертя

F S. Остання за законом Стокса пропорційна швидкості, маючи при цьому

протилежний напрямок

FS = −6πη r v 1. Позначивши

P = mg − FA та

k = 1 6πη r, отримаємо для

усталеної швидкості опускання v1 краплинки залежність

v1 = kP. (1.1.1)

У полі E на заряджену краплинку діє ще електрична сила

qE, тому усталена швидкість має

інше значення. Якщо досліджувана частинка тепер рухається вверх (що є свідченням її зарядженості),

то для вказаного на рис. 1.1.1 напрямку поля вона несе негативний заряд, а швидкість її визначається за формулою

v

v 2 = k (qE − P), (1.1.2)

де q

– електричний заряд краплини. По вимірюванні

v 2 заряд краплини змінювався, для чого

використовувалась іонізуюча здатність рентгенівського випромінювання. Якщо заряд краплини

внаслідок опромінення зміниться на δ q, то її усталена швидкість дорівнюватиме

тобто приріст заряду складає

' = k ((q + δ q) E − P); (1.1.3)

δ q =

P (v '

− v)

.

(1.1.4)

E v1

Вимірювання показали, що незалежно від розмірів краплини величина δ q

завжди виявлялась

кратною деякому найменшому зарядові е:

δ q = Ne, де

e =1, 6 ×10 −19 Кл, а N – ціле число. Таким

чином, досліди Міллікена беззаперечно довели реальність існування кванта електрики.

Розвиток кваркової гіпотези породив сумніви відносно того, чи заряд e

є мінімальною порцією

електрики. За цією гіпотезою адрони не є істинно елементарними частинками. Нуклони, наприклад,

складаються із трьох кварків. Так званий u- кварк має дробовий елементарний заряд

+ 2 3 e, тоді як

заряд d- кварка складає

−1 3 e. Для протона та нейтрона отримуємо комбінації

p → uud

та n → udd,

відповідно. Тобто заряд протона дорівнює

e, тоді як нейтрон виявляється незарядженим. Однак,

незважаючи на те, що кваркова гіпотеза успішно довела свою спроможність, ідея щодо існування

кванта заряду не похитнулася; просто найменший заряд можна прийняти рівним

e 3. До того ж

характер сильної взаємодії виявляється таким, що сила притягання зі збільшенням відстані між кварками не зменшується, як у випадку електромагнітної взаємодії, а, навпаки, збільшується подібно до натягнутої струни. Внаслідок цього при бомбардуванні протона високоенергетичною частинкою

він не руйнується, лиш енергія співудару витрачається на вибивання з вакууму інших частинок,

наприклад,

π0 -мезона – частинки, яка складається із кварка та антикварка

π0 → uu −. Кварки, таким

чином, виявились істинно віртуальними частинками, тобто такими, що не існують у вільному стані

протягом необмежено тривалогого часу. На основі цього можна зробити висновок, що не існує нагальної потреби модифікувати величину елементарного заряду.

Адитивність заряду

Електричні заряди можна додавати чи віднімати подібно до інших адитивних скалярних фізичних величин. Так, якщо до зарядженої металевої кульки доторкнутися незарядженою металевою кулькою такого ж радіуса, а потім її прийняти, то електрична сила, що діє на заряд, зменшиться рівно у два рази. Це трактується як зменшення електричного заряду на кульці теж удвічі. Необхідно зауважити, що властивість адитивності стосується лише зарядів, більших ніж елементарний; елементарний заряд – неподільний. Про адитивність заряду також див. п. 1.4.

Інваріантність заряду

Властивість інваріантності електричного заряду означає, що величина його не залежить від швидкості руху. В теорії відомі виводяться різноманітні релятивістські ефекти, що спостерігаються при наближенні швидкості руху тіла до швидкості світла: скорочення його розмірів уздовж напрямку руху, зміна величини сили взаємодії та напруженості електричного поля тощо. Величина електричного заряду при цьому не змінюється (інваріанта), як залишається сталою, наприклад, швидкість світла в різних системах відліку, що взаємно переміщуються.

Незаперечним доказом інваріантності електричного заряду є електрична нейтральність атома. Заряд атома складається із зарядів протонів ядра та однакової з ними кількості орбітальних електронів. Внаслідок малої маси електронів порівняно з масою ядра швидкість руху їх виявляється значно більшою ніж у ядер. Правда, в атомі водню вона складає лише 0, 02 від швидкості світла, тому релятивістські ефекти тут не мають суттєвого значення. Проте електрони внутрішніх орбіт хімічних елементів, розміщених у кінці періодичної таблиці, мають швидкість, близьку до швидкості світла

(v c ~ 0. 5), тому релятивістські ефекти тут досить відчутні. Незважаючи на це, важкі атоми теж

виявляються нейтральними. Як засвідчує експеримент, атом не відхиляється в електричному полі,

поперечному до напрямку його руху. Отже, інваріантність електричного заряду є експериментальним обґрунтуванням електромагнітної теорії.