基本電荷屬性

基本電荷的屬性

對(duì)電現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)是在幾百年前就已經(jīng)開(kāi)始了，但是對(duì)電現(xiàn)象的定性認(rèn)識(shí)乃至一百五十年前對(duì)電現(xiàn)象定量的分析，直到現(xiàn)代物理學(xué)中場(chǎng)論中對(duì)電的相互作用過(guò)程的認(rèn)識(shí)理解上，除了對(duì)電本身的屬性歸之于吸引和排斥之外，并沒(méi)有使電本身的屬性有多少改變。吸引和排斥兩大特點(diǎn)，已是經(jīng)驗(yàn)事實(shí)所不能否認(rèn)的電在相互作用過(guò)程中所表現(xiàn)的基本屬性特點(diǎn)之一。

最初引起人們注意的是摩擦生電現(xiàn)象，通過(guò)兩個(gè)絕緣體<如:毛皮和琥珀>進(jìn)行摩擦而對(duì)碎小物體產(chǎn)生吸引或排斥現(xiàn)象。這是作為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊环N經(jīng)驗(yàn)事實(shí)而被人們認(rèn)識(shí)和感知的，人們對(duì)于電的本性的認(rèn)識(shí)首先歸之于人們的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)是不過(guò)分的 。

從摩擦生電，到采用微觀分析的方法將形成吸引和排斥兩種不同的電的作用歸之于相互作用的兩種基本電荷間的作用，這是人類(lèi)對(duì)電的本性的認(rèn)識(shí)大大推進(jìn)了一步。

電荷間的相互作用逐漸被人們所采用定量分析的方法對(duì)電荷本身的屬性進(jìn)行確定，比較有名的是庫(kù)侖的扭秤試驗(yàn)，他從微觀到宏觀建立了電荷相互作用確定的量與量之間的關(guān)系。將電荷對(duì)外作用除了這種經(jīng)驗(yàn)事實(shí)之外，對(duì)電荷間這種相互作用的規(guī)律起決定性作用的還存在兩個(gè)哲學(xué)思想。反映在經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的檢驗(yàn)上就是“一個(gè)導(dǎo)體，當(dāng)放在一個(gè)閉合中空導(dǎo)體的內(nèi)部并和它接觸時(shí)，將失去其所有的電荷?！?

元電荷的精確測(cè)量

美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家羅伯特·安德魯·密立根（Robert Andrews Millikan,1868～1953）設(shè)計(jì)了油滴實(shí)驗(yàn)：將兩塊水平放置的金屬板分別與電源正、負(fù)極相接，使兩塊金屬板帶上異種電荷。用噴霧器噴出帶電油滴，帶電油滴進(jìn)入兩平板之間時(shí)，調(diào)節(jié)電壓使油滴電場(chǎng)力、重力平衡，由此就可以求出油滴所帶電荷量。

1910年，他第三次作了改進(jìn)，使油滴可以在電場(chǎng)力與重力平衡時(shí)上上下下地運(yùn)動(dòng)，而且在受到照射時(shí)還可看到因電量改變而致的油滴突然變化，從而求出電荷量改變的差值；1913年，他得到電子電荷的數(shù)值：e=（4．774±0．009）×10-10esu，（通常取e=1.6×10^-19C）這樣，就從實(shí)驗(yàn)上確證了元電荷的存在。他測(cè)得的精確值最終結(jié)束了關(guān)于對(duì)電子離散性的爭(zhēng)論，并使許多物理常數(shù)的計(jì)算達(dá)到較高的精度。

密立根由于測(cè)量電子電荷量等方面的杰出成就而榮獲1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

所謂電荷的量子化指的是任何帶電體的的電量只能取分立、不連續(xù)的量值的性質(zhì)。那么也就是說(shuō)任何帶電體的電量都是基本元電荷的整數(shù)倍 。 密立根的實(shí)驗(yàn)證明了微小粒子的帶電量不是連續(xù)變化的，電荷量總是某個(gè)元電荷的整數(shù)倍，電荷量遵循量子變化規(guī)律。

1964年蓋爾曼等人提出的夸克模型認(rèn)為，質(zhì)子和中子等，分別由具有-1/3e和2/3e的夸克組成，這表明，目前，電荷必然是e/3的整數(shù)倍。這也被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。這雖不是元電荷的整數(shù)倍，但它依然是量子化的。

一種哲學(xué)觀念是守恒的觀念，它假設(shè)電荷對(duì)外的作用在通過(guò)以電荷為球心的不同球面上，其電的作用總量不變。

另一種哲學(xué)觀念是電荷對(duì)外的作用過(guò)程中在空間中延伸是作用采用均分的原則，即張量的屬性。（在空間延伸時(shí)的特點(diǎn)）

對(duì)庫(kù)侖定律進(jìn)行檢驗(yàn)的事實(shí)確立了如上兩個(gè)方法和原則。同時(shí)也說(shuō)明，傳統(tǒng)的物理學(xué)對(duì)靜電場(chǎng)中的描述規(guī)律也間接來(lái)源于這兩個(gè)哲學(xué)觀念。

主條目：電荷量

電荷的量稱(chēng)為“電荷量”。在國(guó)際單位制里，電荷量的符號(hào)以q為表示，單位是C（庫(kù)侖，簡(jiǎn)稱(chēng)“庫(kù)”）。研究帶電物質(zhì)相互作用的學(xué)科稱(chēng)為“電動(dòng)力學(xué)”，可分為經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)與量子電動(dòng)力學(xué)。假若量子效應(yīng)可以被忽略，則經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)能夠很正確地描述出帶電物質(zhì)在電磁方面的物理行為。

二十世紀(jì)初，著名的油滴實(shí)驗(yàn)證實(shí)電荷具有量子性質(zhì)，也就是說(shuō)，電荷是由一堆稱(chēng)為基本電荷的單獨(dú)小單位組成的?；倦姾梢苑?hào)e標(biāo)記，大約帶有電荷量（電量）1.602 × 10^(-19)C。夸克是個(gè)例外，所帶有的電量為e/3的倍數(shù)。質(zhì)子帶有電荷量e；電子帶有電荷量-e。研究帶電粒子與它們之間由光子媒介的相互作用的學(xué)術(shù)領(lǐng)域稱(chēng)為量子電動(dòng)力學(xué)。

實(shí)驗(yàn)室里常用驗(yàn)電器來(lái)檢驗(yàn)物體是否帶電。用帶電體接觸驗(yàn)電器的金屬球，就有一部分電荷轉(zhuǎn)移到驗(yàn)電器的兩片金屬箔上，這兩片金屬箔帶同種電荷，就由于互相排斥而張開(kāi)。

法拉第電解定律是電化學(xué)中的重要定律，在電化生產(chǎn)中經(jīng)常用到它。歷史上，法拉第電解定律曾啟發(fā)物理學(xué)家形成電荷具有原子性的概念，這對(duì)于導(dǎo)致基本電荷e的發(fā)現(xiàn)以及建立物質(zhì)的電結(jié)構(gòu)理論具有重大意義。在R.A.密立根測(cè)定電子的電荷e以后，曾根據(jù)電解定律的結(jié)果計(jì)算阿伏伽德羅常數(shù)N_o。

法拉第常數(shù)（F）是近代科學(xué)研究中重要的物理常數(shù)，代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C·mol^-1，它是阿伏伽德羅常數(shù)N_A=6.02214076×10²³mol^-1（粒子數(shù)N與物質(zhì)量n的比值）與元電荷e = 1.60217663410×10^-19C (電子電荷的基本電荷或大小）的積：

尤其在確定一個(gè)物質(zhì)帶有多少離子或者電子時(shí)這個(gè)常數(shù)非常重要。法拉第常數(shù)以邁克爾·法拉第命名，法拉第的研究工作對(duì)這個(gè)常數(shù)的確定有決定性的意義。

一般認(rèn)為法拉第常數(shù)的值是 96485.33289±0.00059C/mol，此值是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局所依據(jù)的電解實(shí)驗(yàn)得到的，也被認(rèn)為最具有權(quán)威性。

最早法拉第常數(shù)是在推導(dǎo)阿伏伽德羅數(shù)時(shí)通過(guò)測(cè)量電鍍時(shí)的電流強(qiáng)度和電鍍沉積下來(lái)的銀的量計(jì)算出來(lái)的。