Ngarkesa elementare

Ngarkesa elementare, zakonisht e shënuar si e ose edhe si q, është ngarkesë elektrike e përbërë nga një proton i vetëm, ose nga një elektron i vetëm. Kjo ngarkesë elementare është konstantë themelore fizike. Për të hequr konfuzionet për shenjën e tij, e zakonisht quhet ngarkesë elementare pozitive. Kjo ngarkesë ka vlerë të matur dhe përafërsisht është 1.602176565(35)×10⁻¹⁹ kulon. Në cgs, e është 4.80320425(10)×10⁻¹⁰ statkulona.

Madhësia e një ngarkese elementare është matur së pari nga Robert A. Millikan në eksperimentin e rënies së vajit në vititn 1909.

Ngarkesa elementare si njësi

Në disa sisteme të njësive natyrore, si sistemi i njësive atomike, funksioni e si njësi e ngarkesës elektrike. Përdorimi i ngarkesës elementare si njësi u promovua nga George Johnstone Stoney në vitin 1874 për sistemin e parë të njësive natyrore, të quajtur njësitë Stoney. Më vonë, ai e propozoi emrin elektron për këtë njësi. Me kohë, grimca që sot e quajmë elektron nuk ishte zbuluar akoma dhe ndryshimin në mes të grimcës elektron dhe njësisë së ngarkesës elektron ishte ende i paqartë. Më vonë, emri elektron iu caktua grimcës dhe njësia e ngarkesës e e humbi emrin e saj. Megjithatë, njësia e energjisë elektrovolt na e rikujton se ngarkesa elementare fillimisht u quajt elektron.

Matjet eksperimentale të ngarkesës elementare

Në kushtet e konstantës së Avogadros dhe konstantës së Faradeit

Nëse konstanta e Avogadros N_A dhe konstanta e Faradeit F janë të njohura, vlera e ngarkesës elementare mund të gjindet duke përdorur formulën

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

(Me fjalë të tjera, ngarkesa e një moli të elektroneve pjesëtuar me numrin e elektroneve në një mol është i barabartë me ngarkesën e një elektorni të vetëm.) Në praktikë, kjo mentodë nuk është ajo me anë të së cilës ne e matim këtë vlerë sot: Megjithatë, kjo është një metodë e ligjshme dhe ende shumë e saktë, dhe metodologjitë eksperimentale janë përshkruar më poshtë:

Vlera e konstantës së Avogadros N_A u përafrua së pari nga Johann Josef Loschmidt i cili, në vitin 1865, vlerësoi diametrin mesatar të molekulave në ajër nga një metodë që është ekuivalente me llogaritjen e numrit të grimcave në një vëllim të dhënë të gazit. Sot vlera e N^A mund të matet me saktësi shumë të lartë duke marrë një kristal jashtëzakonisht të pastër (në praktikë, shpesh silikon), duke matur se sa larg janë të vendosur atomet duke përdorur difraksionin e rrezeve X ose ndonjë metodë tjetër, dhe duke matur saktësisht densitetin e kristalit. Nga kjo informatë, mund të gjendet masa (m) e një atomi të vetëm; dhe që kur njihet edhe masa molare, numri i atomeve në një mol mund të llogaritet përmes: N_A=M/m.

Vlera e konstantës F mund të matet direkt përmes ligjeve të Faradeit të elektrolizës. Ligjet e Faradeit të elektrolizës janë marrëdhënie sasiore të bazuara në hulumtime elektrokimike të publikuara nga Michael Faraday në vitin 1834. Në një eksperiment të elektrolizës, është një korrespondencë një-me-një në mes të elektroneve që kalojnë përmes kabllos anodë-te-katoda dhe jonet që vendosen mbi ose jashtë anodë ose katodë. Duke matur ndryshimin e masës në anodë dhe katodë, dhe ngarkesën totale që kalon nëpër kabllo (e cila mund të matet si një integral kohor i rrymës elektrike, dhe po ashtu duke marrë masën molare të joneve, mund të gjindet konstanta F.

Eksperimenti i rënies së vajit

Një metodë e famshme për matjen e e-së është eksperimenti i Millikanit me rënien e vajit. Një rënie e vogël e vajit në një fushë elektrike do ta lëvizte në një shkallë që balancon gravitetin, viskozitetin (e udhëtimit nëpër ajër), dhe forcës elektrike. Forcat për shkak të gravitetit dhe viskozitetit mund të llogariten bazuar në madhësi dhe shpejtësi të rënies së vajit, ashtu që forca elektrike mund të gjindet. Që kur forca elektrike është produkt i ngarkesës elektrike dhe fushës elektrike, ngarkesa elektrike e rënies së vajit mund të llogaritet saktësisht. Duke matur ngarkesave e rënieve të ndryshme të vajit, mund të shihet se ngarkesave janë përmbledhje e shumës së një ngarkese të vetme të vogël, e emëruar e.

Zhurma e shtënies

Çfarëdo rryme elektrike mund të lidhet me zhurmë nga burime të ndryshme, një prej të cilave është zhurma e shtënies. Zhurma e shtënies ekziston sepse një rrymë nuk është rrjedhje vazhdimisht e qetë; në vend të kësaj, një rrymë është e përbërë nga elektronet diskrete që kalojnë nga një në një kohë. Nga një analizë e kujdeshme zhurma e një rryme, ngarkesa e një elektroni mund të llogaritet. Kjo metodë, e propozuar së pari nga Walter H. Schottky, mund të japë vetëm një vlerë e e saktë deri në disa përqind.

Nga konstantet e Josephsonit dhe von Klitzingut

Një metodë tjetër e saktë për matjen e ngarkesës elementare është duke e treguar atë nga matjet e dy efekteve në mekaniken kuantike: efekti i Josephsonit, tensioni lëkundës që mblidhet në disa struktura superpërçuese; dhe efekti i Sallës, një efekt kuantum i elektroneve në temperaturë të ulët, fusha magnetike të forta, dhe mbyllja në dy dimensione. Konstanta e Josephsonit është

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

(ku h është konstanta e Plankut). Mund të matet direkt duke përdorur efektin e Josephsonit. Konstanta e von Klitzingut është

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

Mund të matet direkt me anë të efektit kuantik të Sallës. Nga këto dy konstante, mund të gjindet ngarkesa elementare:

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

Metoda CODATA

Në rregullimin më të fundit të CODATA-s , ngarkesa elementare nuk mund të definohet pavarësisht. Në vend të kësaj, vlera është e nxjerr nga relacioni

$e^{2}={\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c}}=2h\alpha \epsilon _{0}c$

Ku h është konstanta e Plankut, α është konstanta e strukturës, μ₀ është konstanta magnetike, ε₀ konstanta elektrike dhe c është shpejtësia e dritës.

Vlera më precize e konstantës së Plankun vjen nga eksperimentet e balancimit të watit, të cilat masin produktin K2JR_K.

Për më tepër

• Fundamentals of Physics, 7th Ed., Halliday, Robert Resnick, and Jearl Walker. Wiley, 2005