소전하

Elementary charge
소전하
정의:양성자의 전하
기호:e
SI 값:1.602176634×10−19 C[1]

기본 전하, 보통 다음과 같이 표시됩니다.e단일 양성자에 의해 전달되는 전하 또는 동등하게 단일 전자에 의해 전달되는 음전하의 크기이며, 전하가 -1이다.e이 기본 전하가 기본 물리 상수입니다.[2]

SI 단위 시스템에서 기본 전하 값은 e{\ e = 1.602176634×[1]10−19 쿨롬으로 하게 정의됩니다.2019년 SI 베이스 유닛의 재정의 이후, 7개의 SI 베이스 유닛은 7개의 기본 물리 상수에 의해 정의되며, 그 중 기본 전하가 1이다.

cm-gram-second 단위계(CGS)에서 대응하는 양은 4.8032047이다.×10−10 statcoulombs.[3]

로버트 A. 밀리칸의 기름 방울 실험은 1909년에 처음으로 소전하의 크기를 측정했다.

유닛으로서

참고 항목: 2019년 SI 기본 단위 재정의
소전하
단위계원자 단위
단위전하
기호.e
변환
1 e in......와 같다
쿨롱 1.602176634×10−19[4]
스타쿨롬 4.80320425(10)×10−10
★★★★★★★★▼0 0.30282212088
[MeV] fm 11.4399764

원자 단위 시스템과 같은 일부 자연 단위 시스템에서 e는 전하 단위로 기능합니다.단위로서의 소전하의 사용은 1874년 조지 존스톤 스토니에 의해 스토니 [5]단위라고 불리는 최초의 자연 단위계를 위해 장려되었다.나중에 그는 이 단위에 전자라는 이름을 제안했다.그 당시 우리가 현재 전자라고 부르는 입자는 아직 발견되지 않았고 입자 전자와 전하 전자 사이의 차이는 여전히 모호했다.나중에 전자라는 이름이 입자에 할당되었고 전하 단위 e는 그 이름을 잃었다.하지만, 에너지 전자볼트의 단위는 우리에게 소전하가 한때 전자라고 불렸음을 상기시킨다.

일부 다른 자연단위계에서는 전하단위는 δδc로0 정의되며, 그 결과 e = δ4δα δc0 δ 0.30282212088 δc가0 된다. 여기서 α는 미세한 입자 상수, c는 빛의 속도, δ는0 전기 상수, δ는 환원 플랑크 상수이다.

양자화

참고 항목: 부분 충전

전하 양자화는 모든 물체의 전하가 기본 전하의 정수 배수가 된다는 원리입니다.따라서 물체의 전하는 정확히 0 e, 또는 정확히 1 e, -1 e, 2 e 등이 될 수 있지만, 1/2e 또는 -3.8e 등 ('객체'의 정의 방법에 따라서는 이 문장에 예외가 있을 수 있습니다.아래를 참조해 주세요.

이것이 "초급 전하"라는 용어가 사용되는 이유입니다. 즉, 이는 분리할 수 없는 전하 단위임을 암시하는 것입니다.

소전하

기본 전하의 불가분성에는 쿼크와 준입자라는 두 가지 예외가 있습니다.

  • 1960년대에 처음 배치된 쿼크는 양자화된 전하를 가지고 있지만 전하가 1/3 e의 배수로 양자화된다.그러나 쿼크는 분리될 수 없습니다; 쿼크는 그룹화에만 존재하며, 안정적인 쿼크 그룹(예를 들어 세 개의 쿼크로 구성된 양성자)은 모두 e의 정수 배수인 전하를 가집니다.이러한 이유로, 1 e 또는 1/3 e는 상황에 따라 "전하의 양자"로 간주될 수 있다.이 전하 교환성, "전하 양자화"는 부분적으로 대통합 이론의 동기를 부여합니다.
  • 준입자는 입자가 아니라 입자처럼 행동하는 복잡한 물질계의 새로운 실체이다.1982년 로버트 러플린은 부분 전하 준입자의 존재를 가정함으로써 부분 양자 홀 효과를 설명했다.이 이론은 현재 널리 받아들여지고 있지만, 준입자가 소립자가 아니기 때문에 전하 양자화 원리를 위반하는 것으로 간주되지 않는다.

전하의 양자

쿼크를 포함한 모든 알려진 소립자는 1/3e의 정수배수인 전하를 가집니다.따라서 "충전량"은 1/3 e입니다.이 경우, 「초급 전하」는 「전하량」의 3배라고 한다.

반면, 모든 분리 가능한 입자는 e의 정수 배수인 전하를 가지고 있습니다. (쿼크는 분리될 수 없습니다: 쿼크는 e의 정수 배수인 총 전하를 가진 양성자와 같은 집합 상태에서만 존재합니다.)따라서 "전하의 양"은 e이며 쿼크는 포함되지 않는다는 조건이 있다.이 경우 "초급 전하"는 "전하의 양"과 동의어가 됩니다.

실제로 두 가지 용어가 [6]모두 사용됩니다.이러한 이유로, "전하의 양자" 또는 "분할 수 없는 전하 단위"와 같은 문구는 더 이상의 명세가 주어지지 않는 한 모호할 수 있다.반면, "초전하"라는 용어는 명확합니다. 즉, 양성자의 전하량과 동일한 전하량을 의미합니다.

부분 요금 부족

폴 디락은 1931년 자기 단극이 존재한다면 전하를 양자화해야 한다고 주장했지만, 실제로 자기 단극이 [7][8]존재하는지 여부는 알려지지 않았다.분리 가능한 입자가 정수 전하에 제한되는 이유는 현재 알려져 있지 않습니다. 끈 이론의 대부분은 부분 [9][10]전하를 받아들이는 것으로 보입니다.

다음 항목도 참조하십시오.이상(물리학) » 이상 취소

소전하의 실험적 측정

읽기 전에 국제 단위계에 의해 2019년 5월 20일 이후 기본 전하가 정확히 정의되었다는 것을 기억해야 한다.

아보가드로 상수와 패러데이 상수의 관점에서

아보가드로 상수A N과 패러데이 상수 F가 독립적으로 알려진 경우, 기본 전하 값은 다음 공식을 사용하여 추론할 수 있습니다.

(즉, 1몰의 전하를 1몰의 전자수로 나눈 것은 1몰의 전하를 1개의 전자의 전하와 같습니다.)

이 방법은 오늘날 가장 정확한 값을 측정하는 방법이 아닙니다.그럼에도 불구하고, 이것은 합법적이고 매우 정확한 방법이며, 실험적인 방법론은 아래에 설명되어 있습니다.

아보가드로 상수A N의 값은 1865년 요한 요제프 로스흐미트에 의해 처음 근사치를 얻었는데, 그는 주어진 가스 [11]부피의 입자 수를 계산하는 방법에 의해 공기 중의 분자의 평균 직경을 추정했다.오늘날 N의 값은A 매우 순수한 결정(종종 실리콘)을 취하여 X선 회절이나 다른 방법을 사용하여 원자의 간격을 측정하고 결정의 밀도를 정확하게 측정함으로써 매우 높은 정확도로 측정될 수 있습니다.이 정보를 통해 단일 원자의 질량(m)을 추론할 수 있으며, 몰 질량(M)이 알려져 있기 때문에 몰의 원자 수를 계산할 수 있다.NA = M/m.[12]

F의 값은 패러데이의 전기 분해 법칙을 사용하여 직접 측정할 수 있습니다.패러데이의 전기분해 법칙은 1834년 [13]마이클 패러데이가 발표한 전기화학 연구에 기초한 양적 관계이다.전기분해 실험에서 양극 대 음극 와이어를 통과하는 전자와 양극 또는 음극에 플레이팅되는 이온 사이에 일대일 대응 관계가 있습니다.양극이나 음극의 질량 변화와 와이어를 통과하는 총 전하(전류의 시적분이라고 할 수 있음)를 측정하고 이온의 몰 질량을 고려하여 [12]F를 추론할 수 있다.

방법의 정밀도에 대한 한계는 F의 측정이다. 최상의 실험 값은 1.6ppm의 상대적 불확실성을 가지며, 이는 기본 전하를 [12][14]측정하거나 계산하는 다른 최신 방법보다 약 30배 높다.

기름방울 실험

주요 기사: 오일 드롭 실험

유명한 e 측정 방법은 밀리칸의 기름 방울 실험입니다.전기장의 작은 기름 방울은 중력, (공기를 통해 이동하는) 점성 및 전기력의 균형을 맞추는 속도로 움직입니다.중력과 점도에 의한 힘은 오일 방울의 크기와 속도를 바탕으로 계산할 수 있으므로 전기력을 추론할 수 있다.결국 전기는 전하와 알려진 전장의 산물이기 때문에 기름 방울의 전하를 정확하게 계산할 수 있었다.여러 가지 기름 방울의 전하를 측정함으로써 전하가 모두 단일 소전하의 정수배수, 즉 e임을 알 수 있다.

균일한 크기의 작은 플라스틱 구체를 사용하면 기름 방울의 크기를 측정할 필요가 없어집니다.점도로 인한 힘은 구체가 움직이지 않도록 전계의 강도를 조절하여 제거할 수 있습니다.

샷 노이즈

주요 기사:샷 노이즈

모든 전류는 다양한 소스의 소음과 관련되며, 그 중 하나가 샷 노이즈입니다.숏 노이즈는 전류가 매끄러운 연속 흐름이 아니기 때문에 존재합니다. 대신 전류는 한 번에 하나씩 통과하는 개별 전자로 구성됩니다.전류 노이즈를 세심하게 해석함으로써 전자의 전하를 계산할 수 있다.Walter H. Schottky가 처음 제안한 이 방법은 정확도가 [15]몇 %로 제한된 e의 값을 결정할 수 있습니다.그러나, 그것은 부분 양자 홀 [16]효과와 관련이 있는 러플린 준입자의 첫 번째 직접 관찰에 사용되었다.

조지프슨과 폰 클리칭 상수로부터

소전하를 측정하는 또 다른 정확한 방법은 양자역학에서의 두 가지 효과 측정에서 소전하를 추론하는 것이다.조지프슨 효과, 특정 초전도 구조에서 발생하는 전압 진동, 그리고 양자 홀 효과, 저온에서 전자의 양자 효과, 강한 자기장 및 2차원으로의 제한.조지프슨 상수는

여기서 h는 플랑크 상수이다.조지프슨 효과를 사용하여 직접 측정할 수 있습니다.

폰 클리칭 상수는

양자 홀 효과를 사용하여 직접 측정할 수 있습니다.

이 두 가지 상수로부터 기본 전하를 추론할 수 있습니다.

CODATA법

CODATA가 기본 전하를 결정하기 위해 사용한 관계는 다음과 같다.

여기서 h는 플랑크 상수, α는 미세구조 상수0, μ는 자기 상수, θ는0 전기 상수, c는 빛의 속도이다.현재 이 방정식은 θ와0 α 사이의 관계를 나타내며, 다른 모든 것은 고정값이다.따라서 양쪽의 상대적 표준 불확실성은 동일할 것이다.

소전하의 보편성 시험

파티클 예상 요금 실험적인 제약 메모들
전자 정확한 정의상
양성자 구형 공진기의[17] SF 가스에 교류6 전계가 인가될 때 측정 가능한 소리를 찾지 않음으로써
양전자 CERN의 [18]ALPHA Collaboration에 의해 설정된 반양성자 전하(아래)의 최고 측정값과 반수소 순 전하 하한값을 결합함으로써 얻을 수 있습니다.
반양성자 입자 데이터[20] 그룹의 반양성자/양성자 전하 차이 리스트에서 인용된 Hori [19]등 입자 데이터 그룹 위키피디아 기사는 입자 데이터의 현재 온라인 버전에 대한 링크를 가지고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Newell, David B.; Tiesinga, Eite (2019). The International System of Units (SI). NIST Special Publication 330. Gaithersburg, Maryland: National Institute of Standards and Technology. doi:10.6028/nist.sp.330-2019.
  2. ^ 기호 e는 다른 많은 의미를 가지고 있다.다소 혼란스러운 것은 원자 물리학에서 e는 때때로 전자 전하, 즉 소전하의 음을 나타낸다.미국에서는 자연 로그의 밑변은 종종 e(이탈리화)로 표기되지만, 영국과 유럽 대륙에서는 보통 e(로마형)로 표기된다.
  3. ^ 1쿨롱은 정확히 2997924580 statcoulombs에 해당하므로 CODATA 2018 값에서 도출됩니다.변환 계수는 초당 미터 단위의 빛 속도의 10배입니다.
  4. ^ "2018 CODATA Value: elementary charge". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  5. ^ G. J. Stoney (1894). "Of the "Electron," or Atom of Electricity". Philosophical Magazine. 5. 38: 418–420. doi:10.1080/14786449408620653.
  6. ^ Q는 Quantum을 위한 것입니다. John R. Gribbin, Mary Gribbin, Jonathan Gribbin, 296페이지, Web 링크
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  8. ^ "Three Surprising Facts About the Physics of Magnets". Space.com. 2018. Retrieved 17 July 2019.
  9. ^ Schellekens, A. N. (2 October 2013). "Life at the interface of particle physics and string theory". Reviews of Modern Physics. 85 (4): 1491–1540. arXiv:1306.5083. Bibcode:2013RvMP...85.1491S. doi:10.1103/RevModPhys.85.1491. S2CID 118418446.
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  11. ^ Loschmidt, J. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien. 52 (2): 395–413. 영문 번역 2006년 2월 7일 Wayback Machine에서 아카이브 완료.
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  19. ^ Hori, M.; et al. (2011). "Two-photon laser spectroscopy of antiprotonic helium and the antiproton-to-electron mass ratio". Nature. 475: 484–488. doi:10.1038/nature10260.
  20. ^ Olive, K. A.; et al. (2014). "Review of particle physics". Chinese Physics C. 38 (9): 090001. doi:10.1088/1674-1137/38/9/090001.

추가 정보

  • 물리학의 기초, 제7회 Ed., Halliday, Robert Resnick, Jearl Walker.Wiley, 2005