Question

Физический смысл элементарного заряда

Answer 1

Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен одному элементарному — такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году[3].

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с электрическим зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что существование всего одного магнитного монополя влечёт за собой квантование всех электрических зарядов во Вселенной. Однако обнаружить в природе магнитный монополь не удалось.

В современной физике элементарных частиц разрабатываются модели наподобие преонной, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».

Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого 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 (скажем, топологическим). Такой подход развивается, например, в модели С. Бильсона-Томпсона[4], в которой фермионы Стандартной модели интерпретируются, как три ленты пространства-времени, заплетённые в косу (брэд), а электрический заряд (точнее, треть от него) соответствует перекрученной на 180° ленте. Однако несмотря на изящество таких моделей, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

Answer 2

Физический смысл элементарного заряда заключается в том, что он представляет наименьшее возможное количество электрического заряда, которое может существовать в природе. Элементарный заряд обозначается символом "e" и имеет заряд равный приблизительно 1.602 x 10^-19 кулон.

Исторически, открытие элементарного заряда связано с экспериментами, проведенными американским физиком Робертом Милликеном в начале 20-го века. Он изучал движение мельчайших заряженных капелек масла в электрическом поле и обнаружил, что заряд каждой из них оказывался кратным одному и тому же значения - элементарному заряду.

Физический смысл элементарного заряда включает в себя следующее:

1. Квантование заряда: Заряд всегда существует в дискретных квантах, и наименьший квант заряда - элементарный заряд "e" - является основой этого квантования.

2. Определение зарядов частиц: Элементарный заряд определяет заряд элементарных частиц, таких как электроны и протоны. Заряд электрона составляет -e, а заряд протона равен +e.

3. Законы электродинамики: Элементарный заряд является фундаментальной константой в уравнениях электродинамики Максвелла и влияет на поведение электрических полей и заряженных частиц.

4. Концепция заряда: Открытие элементарного заряда подтвердило существование фундаментальной частицы - заряда, которая является основой для понимания многих явлений в физике.

Таким образом, элементарный заряд играет ключевую роль в нашем понимании электричества и структуры вещества на микроуровне, а также служит основой для различных теорий и приложений в физике.