Տարրական էլեկտրական լիցք

Տարրական էլեկտրական լիցք, հիմնարար ֆիզիկական հաստատուն, էլեկտրական լիցքի նվազագույն քանակը։ Էլեկտրոնի (բացասական) և պրոտոնի (դրական) լիցքի մեծությունը, սովորաբար նշանակվում է e տառով^[1]։ Սերտորեն կապված է էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունը նկարագրող նուրբ կառուցվածքի հաստատունի հետ։

Միավորներ

Տարրական լիցքի մեծությունը մոտ 1,602 176 565(35)×10⁻¹⁹ Կլ^[2] է ՄՀ -ում և 4,803×10⁻¹⁰ ՍԳՎ համակարգում։ Որոշ բնական միավորների համակարգում, ինչպես, օրինակ, ատոմական միավորներն են, e-ն ընդունվում է որպես էլեկտրական լիցքի չափման միավոր, այսինքն՝ 1:

Տարրական լիցքը որպես միավոր առաջին անգամ ներմուծել է Ջորջ Ջոնսոն Ստոնին 1874 թվականին, առաջին բնական միավորների համակարգի համար, որոնք կոչվեցին Ստոնիի միավորներ.^[3]։ Ավելի ուշ Ստոնին այս միավորի համար առաջարկեց «էլեկտրոն» անվանումը։ Այդ ժամանակ դեռ հայտնաբերված չէր էլեկտրոն մասնիկը, և տարբերությունը էլեկտրոն լիցքի և էլեկտրոն մասնիկի միջև հստակ չէր։ Ավելի ուշ էլեկտրոն բառով կոչեցին մասնիկը, և լիցքի չափման e միավորը զրկվեց անվանումից։ Սական էներգիայի չափման էլեկտրոն-վոլտ միավորը հիշեցնում է, որ տարրական լիցքի երբեմնի անվանումը էլեկտրոն էր։

Լիցքային կապով սարքերում պիքսելի առավելագույն ունակությունը սովորաբար չափվում է էլեկտրոնի միավորներով^[4] և մոտ 10⁵ e^– է։

Չափումներ

Տարրական լիցքի արժեքը 1909 թվականին առաջին անգամ չափել է Ռոբերտ Միլլիկենը ձեթի կաթիլի օգնությամբ^[5]։

Քվանտացում

1752 թ. Բենջամին Ֆրանկլինը կարծիք հայտնեց, որ փորձով դիտվող ցանկացած էլեկտրական լիցք բազմապատիկ է տարրական լիցքին։ Հետագայում այս կարծիքը բազմիցս հաստատվեց փորձնականորեն։

Այն փաստը, որ էլեկտրական լիցքը բնության մեջ հանդիպում է միայն տարրական լիցքին բազմապատիկ ամբողջ թվով, կարելի է անվանել էլեկտրական լիցքի քվանտացում։ Ընդ որում դասական էլեկտրադինամիկայում լիցքի քվանտացման հարցը չի քննարկվում, քանի որ այնտեղ լիցքը հանդես է գալիս որպես արտաքին պարամետր, ոչ թե դինամիկ փոփոխական։ Բավարար բացատրություն չի տրվել հարցին, թե ինչու պետք է լիցքը քվանտացվի, սակայն կան մի շարք հետաքրքիր դիտարկումներ.

• Եթե բնության մեջ գոյություն ունի մագնիսական մոնոպոլ, ապա համաձայն քվանտային մեխանիկայի, նրա մագնիսական լիցքը պետք է որոշակի հարաբերակցության մեջ լինի ցանկացած ընտրված տարրական մասնիկի հետ։ Այստեղից ինքնաբերաբար բխում է, որ հենց միայն մագնիսական մոնոպոլի գոյությունը ենթադրում է լիցքի քվանտացում։ Սակայն բնության մեջ մագնիսական մոնոպոլ դեռ չի դիտվել։
• Ժամանակակից տարրական մասնիկների ֆիզիկայում մշակվում են մոդելներ, որոնցում բոլոր հայտնի հիմնարար մասնիկները պետք է լինեն նոր, ավելի հիմնարար մասնիկների կոմբինացիաներ։ Այս դեպքում դիտարկվող մասնիկների լիցքի քվանտացումը զարմանալի չէ։
• Բացառված չէ նաև, որ դիտարկվող մասնիկների բոլոր պարամետրերը կնկարագրվեն դաշտի միասնական տեսության շրջանակներում։ Այդ տեսության մեջ, որը դեռ մշակման փուլում է, էլեկտրական լիցքի մեծությունը պետք է հաշվարկվի խիստ փոքր թվով հիմնարար պարամետրերից, որոնք, հնարավոր է, գերփոքր հեռավորությունների վրա կապված են լինելու տարածություն-ժամանակի կառուցվածքի հետ։ Եթե նման տեսություն կառուցվի, ապա այն, ինչ դիտարկում ենք որպես տարրական էլեկտրական լիցք, պետք է լինի տարածություն-ժամանակի դիսկրետ ինվարիանտ։ Սակայն այս ուղղությամբ որոշակի ընդունված արդյունքներ դեռ չեն ստացվել։

Կոտորակային տարրական լիցք

Քվարկների հայտնագործումով պարզ դարձավ, որ տարրական մասնիկները կարող են ունենալ կոտորակային տարրական լիցք, օրինակ՝ 1/3 և 2/3 տարրական լիցք։ Սակայն նման մասնիկներ գոյություն ունեն միայն կապված վիճակներում։ Ուստի բոլոր մեզ հայտնի ազատ մասնիկների լիցքը տարրական լիցքի բազմապատիկն է։ Կոտորակային տարրական լիցքով ազատ օբյեկտների որոնումները հաջողությամբ չեն պսակվել։ Չնայած դրան, դիտվել են ցրումներ կոտորակային լիցքով մասնիկների վրա։

Քվազիմասնիկի էլեկտրական լիցքը կարող է չլինել տարրական լիցքի բազմապատիկը։ Մասնավորապես, Հոլլի կոտորակային քվանտային էֆեկտի համար պատասխանատու են կոտորակային տարրական լիցքով քվազիմասնիկները։

Կապը Ավոգադրոյի հաստատունի հետ

Տարրական լիցքը կապված է Ավոգադրոյի N_A և Ֆարադեյի F հաստատունների հետ հետևյալ առնչությամբ՝

${\displaystyle e={\frac {F}{N_{\mathrm {A} }}}}$:

Այլ կերպ ասած, մեկ էլեկտրոնի լիցքը հավասար է մեկ մոլ էլեկտրոնների լիցքի հարաբերությունը մեկ մոլում գտնվող էլեկտրոնների թվին։

Այս եղանակով տարրական էլեկտրական լիցքի չափումը ներկայումս չի կարող տալ բավարար ճշգրիտ արժեքներ։

Կապը Ջոզեֆսոնի և Կլիտցինգի հաստատունների հետ

Տարրական լիցքի չափման ճշգրիտ մեթոդներից մեկը հիմնվում է քվանտային մեխանիկայի երկու էֆեկտների՝ Ջոզեֆսոնի էֆեկտի^[6] և Հոլի քվանտային էֆեկտի^[7] չափման վրա։ Ջոզեֆսոնի հաստատունը, որը ուղղակիորեն չափվում է Ջոզոֆսոնի էֆեկտում՝

${\displaystyle K_{\mathrm {J} }={\frac {2e}{h}}}$:

Այստեղ h-ը Պլանկի հաստատունն է։

Ֆոն Կլիտցինգի հաստատունը, որն անմիջականորեն չափվում է Հոլի քվանտային էֆեկտում՝

${\displaystyle R_{\mathrm {K} }={\frac {h}{e^{2}}}}$:

Այս երկու հավասարումներից կարելի է որոշել տարրական էլեկտրական լիցքը՝

${\displaystyle e={\frac {2}{R_{\mathrm {K} }K_{\mathrm {J} }}}}$:

Կապը նուրբ կառուցվածքի հաստատունի հետ

Տարրական էլեկտրական լիցքի արժեքը կարելի է ստանալ

${\displaystyle e^{2}={\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c_{0}}}}$

հավասարումից, որտեղ h-ը Պլանկի հաստատունն է, α-ն՝ նուրբ կառուցվածքի հաստատունը, μ₀-ն՝ մագնիսական հաստատունը, c₀-ն՝ լույսի արագությունը։ Տարրական լիցքի չափման ճշտությունը որոշվում է Պլանկի հաստատունի չափման ճշտությամբ։

Ծանոթագրություններ

1. Ատոմային ֆիզիկայում e-ով սովորաբար նշանակվում է էլեկտրոնի լիցքը, այսինքն՝ տարրական լիցքի բացասականը
2. http://physics.nist.gov/cuu/Constants/Table/allascii.txt Հիմնարար ֆիզիկական հաստատուններ. ամբողջական ցուցակ
3. G. J. Stoney (1894). «Of the "Electron," or Atom of Electricity». Philosophical Magazine. 5. 38: 418–420. doi:10.1080/14786449408620653.
4. «Apogee CCD University – Pixel Binning». Արխիվացված է օրիգինալից 2015 թ․ մայիսի 2-ին. Վերցված է 2015 թ․ նոյեմբերի 28-ին.
5. Միլիկենի փորձը
6. Գերհաղորդիչ հոսանքի անցման երևույթը երկու գերհաղորդիչները բաժանող մեկուսիչի շերտով
7. Հոլի դիմադրության կամ երկչափ էլեկտրոնային գազի հաղորդականության քվանտացման երևույթը ուժեղ մագնիսական դաշտերի և ցածր ջերմաստիճանների դեպքում