Carga electrica elemental

Una carga eléctrica elemental  es una constante física fundamental , la porción mínima ( quantum ) de carga eléctrica observada en la naturaleza en partículas libres de larga vida. Según los cambios en las definiciones de unidades base, el SI es exactamente 1,602 176 634⋅10 −19 C [1] en el Sistema Internacional de Unidades (SI) [2] . Estrechamente relacionado con la constante de estructura fina , que describe la interacción electromagnética [3] .

Cuantización de carga eléctrica

Cualquier carga eléctrica observada en un experimento es siempre un múltiplo de una carga elemental ; B. Franklin  hizo tal suposición en 1752 y luego se verificó repetidamente experimentalmente. La carga elemental fue medida experimentalmente por primera vez por Millikan en 1910 [3] .

El hecho de que la carga eléctrica se presente en la naturaleza solo en forma de un número entero de cargas elementales puede denominarse cuantización de la carga eléctrica . Al mismo tiempo, en la electrodinámica clásica , la cuestión de las causas de la cuantización de la carga no se discute, ya que la carga es un parámetro externo y no una variable dinámica. Aún no se ha encontrado una explicación satisfactoria de por qué se debe cuantificar la carga, pero ya se han obtenido varias observaciones interesantes.

• Si hay un monopolo magnético en la naturaleza , entonces, de acuerdo con la mecánica cuántica , su carga magnética debe estar en cierta proporción con la carga eléctrica de cualquier partícula elemental elegida . De esto se sigue automáticamente que la existencia de un solo monopolo magnético implica la cuantización de todas las cargas eléctricas en el Universo. Sin embargo, no fue posible detectar un monopolo magnético en la naturaleza.
• En la física de partículas moderna , se están desarrollando modelos como el preon , en el que todas las partículas fundamentales conocidas resultarían ser combinaciones simples de partículas nuevas, incluso más fundamentales. En este caso, la cuantización de la carga de las partículas observadas no parece sorprendente, ya que surge "por construcción".
• También es posible que todos los parámetros de las partículas observadas se describan en el marco de una teoría de campo unificado , cuyos enfoques se están desarrollando actualmente. En tales teorías, la magnitud de la carga eléctrica de las partículas debe calcularse a partir de un número extremadamente pequeño de parámetros fundamentales, posiblemente relacionados con la estructura del espacio-tiempo a distancias ultrapequeñas. Si se construye tal teoría, entonces lo que observamos como una carga eléctrica elemental resultará ser una invariante discreta del espacio-tiempo (por ejemplo, topológica). Este enfoque se desarrolla, por ejemplo, en el modelo de S. Bilson-Thompson [4] , en el que los fermiones del modelo estándar se interpretan como tres cintas de espacio-tiempo trenzadas en una trenza (brad), y la carga eléctrica (más precisamente, un tercio) corresponde a una cinta retorcida de 180°. Sin embargo, a pesar de la elegancia de tales modelos, aún no se han obtenido resultados específicos generalmente aceptados en esta dirección.

Carga eléctrica fraccionaria

Con el descubrimiento de los quarks , quedó claro que las partículas elementales pueden tener una carga eléctrica fraccionaria, por ejemplo, 1 ⁄ 3 y 2 ⁄ 3 de la carga elemental. Sin embargo, tales partículas existen solo en estados ligados ( confinamiento ), por lo que casi todas las partículas libres conocidas (y todas las estables y de larga vida) tienen una carga eléctrica que es un múltiplo de la carga elemental, aunque se ha estudiado la dispersión por partículas con carga fraccionada . observado.

La excepción es el t-quark , su tiempo de vida (~1⋅10 −25 ) es tan corto que se desintegra antes de que tenga tiempo de experimentar la hadronización y, por lo tanto, se presenta solo en forma libre. La carga del quark t según medidas directas es + 2 ⁄ 3 e [5] .

Las búsquedas repetidas de objetos libres de larga duración con una carga eléctrica fraccionaria, realizadas por varios métodos durante mucho tiempo, no han dado resultados.

Sin embargo, cabe señalar que la carga eléctrica de las cuasipartículas también puede no ser un múltiplo del todo. En particular, son las cuasipartículas con una carga eléctrica fraccionaria las responsables del efecto Hall cuántico fraccionario .

Definición experimental de carga eléctrica elemental

Número de Avogadro y constante de Faraday

Si se conocen el número de Avogadro N A y la constante de Faraday F , el valor de la carga eléctrica elemental se puede calcular mediante la fórmula

(En otras palabras, la carga de un mol de electrones dividida por el número de electrones en el mol es igual a la carga de un electrón).

En comparación con otros métodos más precisos, este método no proporciona una alta precisión, pero aun así su precisión es bastante alta. A continuación se muestran los detalles de este método.

El valor de la constante de Avogadro N A fue medido aproximadamente por primera vez por Johann Josef Loschmidt , quien en 1865 determinó el tamaño de las moléculas de aire sobre una base cinética de gases, lo que equivale a calcular el número de partículas en un volumen dado de gas [6 ] . Hoy en día, el valor de N A se puede determinar con una precisión muy alta utilizando cristales muy puros (generalmente cristales de silicio ) midiendo la distancia entre los átomos utilizando la difracción de rayos X ; o de otra manera, con una medida precisa de la densidad del cristal. Desde aquí puede encontrar la masa ( m ) de un átomo, y dado que se conoce la masa molar ( M ), la cantidad de átomos en el mol se puede calcular de la siguiente manera: N A \ u003d M / m .

El valor de F se puede medir directamente utilizando las leyes de electrólisis de Faraday . Las leyes de electrólisis de Faraday definen proporciones cuantitativas basadas en estudios electroquímicos publicados por Michael Faraday en 1834 [7] . En un experimento de electrólisis , existe una correspondencia uno a uno entre el número de electrones que pasan entre el ánodo y el cátodo y el número de iones depositados en la placa del electrodo. Al medir los cambios de masa del ánodo y el cátodo, así como la carga total que pasa a través del electrolito (que se puede medir como la integral de tiempo de la corriente eléctrica ), y también dada la masa molar de los iones, se puede deducir F .

La limitación en la precisión del método radica en la medida de F. Los mejores valores experimentales tienen un error relativo de 1,6 ppm , que es unas treinta veces mayor que en otros métodos modernos de medida y cálculo de la carga elemental.

La experiencia de Millikan

Una experiencia bien conocida en la medición de la carga del electrón e . Una pequeña gota de aceite en un campo eléctrico se moverá a tal velocidad que la fuerza de la gravedad , la fuerza de Stokes (derivada de la viscosidad del aire) y la fuerza eléctrica serán compensadas . La gravedad y Stokes se pueden calcular a partir del tamaño y la velocidad de la gota en ausencia de un campo eléctrico, a partir de los cuales también se puede determinar la fuerza eléctrica que actúa sobre la gota. Dado que la fuerza eléctrica, a su vez, es proporcional al producto de la carga eléctrica y la intensidad del campo eléctrico conocida dada en el experimento, la carga eléctrica de una gota de aceite se puede calcular con precisión. En estos experimentos, las cargas medidas de varias gotas de aceite siempre fueron múltiplos enteros de un valor pequeño, a saber, e .

Ruido de disparo

Cualquier corriente eléctrica va acompañada de ruido electrónico de varias fuentes, una de las cuales es el ruido de disparo . La existencia del ruido de disparo se debe a que la corriente no es continua, sino que se compone de electrones discretos , que entran alternativamente en el electrodo. Mediante un análisis cuidadoso del ruido de corriente, se puede calcular la carga de un electrón. Este método, propuesto por primera vez por Walter Schottky , puede dar el valor de e dentro de un pequeño porcentaje [8] . Sin embargo, se utilizó en la primera observación directa de Laughlin de cuasipartículas implicadas en el efecto Hall cuántico fraccional [9] .

El efecto Josephson y la constante de von Klitzing

Otro método preciso para medir la carga elemental es calcularla a partir de la observación de dos efectos de la mecánica cuántica : el efecto Josephson , en el que se producen fluctuaciones de tensión en una determinada estructura superconductora y el efecto Hall cuántico , efecto de cuantización de la resistencia Hall. o conductividad de un gas de electrones bidimensional en fuertes campos magnéticos ya bajas temperaturas. Constante de Josephson

donde h  es la constante de Planck , se puede medir directamente usando el efecto Josephson .

constante de Von Klitzing

se puede medir directamente usando el efecto Hall cuántico .

A partir de estas dos constantes, se puede calcular la magnitud de la carga elemental:

Notas

1. ↑ Carga elemental  . La referencia NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE.UU. Recuperado: 20 de mayo de 2020.
2. ↑ En el sistema CGSE , la carga elemental es exactamente 4,803 204 712 570 263 72⋅10 −10 Fr. El valor en unidades CGSE se obtiene como resultado de convertir el valor de CODATA en coulombs, teniendo en cuenta que el coulomb es exactamente igual a 2.997.924.580 unidades de carga eléctrica CGSE ( franklins o statcoulombs).
3. ↑ 1 2 Tomilin K. A. Constantes físicas fundamentales en aspectos históricos y metodológicos. - M. : Fizmatlit, 2006. - S. 96-105. — 368 págs. - 400 copias.  - ISBN 5-9221-0728-3 .
4. ↑ Un modelo topológico de preones compuestos  (enlace no disponible) es.arXiv.org
5. ↑ AbazovVM et al. ( Colaboración DØ ). Discriminación experimental entre carga 2 e /3 top quark y carga 4 e /3 escenarios de producción de quarks exóticos  (inglés)  // Physical Review Letters  : revista. - 2007. - vol. 98 , núm. 4 . — Pág. 041801 . -doi : 10.1103 / PhysRevLett.98.041801 . - . -arXiv : hep - ex/0608044 . —PMID 17358756 .
6. ↑ Loschmidt J. Zur Grösse der Luftmoleküle  (alemán)  // Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. - 1865. - Bd. 52 , núm. 2 . - S. 395-413 . Traducción al inglés Archivado desde el original el 7 de febrero de 2006. .
7. ↑ Ehl RG, Ihde A. Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights  //  Journal of Chemical Education : diario. - 1954. - vol. 31 , núm. mayo _ - pág. 226-232 . doi : 10.1021 / ed031p226 . - .
8. ↑ Beenakker C. , Schönenberger C. Quantum Shot Noise  //  Physics Today. - 2003. - mayo ( vol. 56 , n. 5 ). - P. 37-42 . -doi : 10.1063/ 1.1583532 . -arXiv : cond - mat/0605025 .
9. ↑ de-Picciotto R. et al. Observación directa de una carga fraccionaria  (inglés)  // Nature. - 1997. - vol. 389 , núm. 162-164 . - Pág. 162 . -doi : 10.1038/ 38241 . — . .