Carga elementar - Elementary charge

Carga elétrica elementar
Definição: Carga de um próton
Símbolo: e ou às vezes q e
Valor em coulombs : 1,602 176 634 × 10 −19  C

A carga elementar , geralmente denotada por e ou às vezes q e é a carga elétrica transportada por um único próton ou, equivalentemente, a magnitude da carga elétrica negativa transportada por um único elétron , que tem carga -1 e . Essa carga elementar é uma constante física fundamental . Para evitar confusão sobre seu sinal, e às vezes é chamado de carga positiva elementar .

A partir da redefinição das unidades de base do SI em 2019 , que entrou em vigor em 20 de maio de 2019, seu valor é exatamente 1,602 176 634 × 10 −19  C , por definição do coulomb . No sistema de unidades centímetro-grama-segundo (CGS), é4,803 204 25 (10) × 10 −10  statcoulombs .

Tornar exato o valor da carga elementar implica que o valor de ε 0 ( constante elétrica ), que antes era um valor exato, está agora sujeito a determinação experimental: ε 0 tinha um valor definido exatamente até a redefinição do SI 2019, após o que tornou-se um assunto de refinamento experimental ao longo do tempo. Os comitês do SI ( CGPM , CIPM , etc.) há muito consideravam redefinir as unidades de base do SI inteiramente em termos de constantes físicas, de modo a remover sua dependência de artefatos físicos (como o Protótipo Internacional do Quilograma ): para que isso funcione, foi necessário definir valores fixos para as constantes físicas.

Robert A. Millikan 's experiência da gota de óleo medida pela primeira vez a magnitude da carga elementar em 1909.

Como uma unidade

Carga elementar (como uma unidade de carga )
Sistema de unidades Unidades atômicas
Unidade de carga elétrica
Símbolo e ou q
Conversões
1 e ou q em ... ... é igual a ...
   coulomb    1,602 176 634 × 10 −19
   Statcoulomb    4,803 204 25 (10) × 10 −10
   HEP : ħc    0,30282212088
   MeVfm    1,4399764

Em alguns sistemas de unidades naturais , como o sistema de unidades atômicas , e funciona como a unidade de carga elétrica, ou seja, e é igual a 1 e nesses sistemas de unidades. O uso de carga elementar como uma unidade foi promovido por George Johnstone Stoney em 1874 para o primeiro sistema de unidades naturais , chamadas unidades Stoney . Mais tarde, ele propôs o nome elétron para esta unidade. Na época, a partícula que agora chamamos de elétron ainda não havia sido descoberta e a diferença entre o elétron da partícula e a unidade do elétron de carga ainda era indistinta. Posteriormente, o nome elétron foi atribuído à partícula e a unidade de carga e perdeu seu nome. No entanto, a unidade de energia elétron- volt nos lembra que a carga elementar já foi chamada de elétron .

Em unidades Lorentz-Heaviside a unidade de carga é dependente , de modo que e = 4 π αħc ≈ 0,30282212088 ħc , onde

α é a constante de estrutura fina , c é a velocidade da luz , é a constante de Planck reduzida .

Quantização

Quantização de carga é o princípio de que a carga de qualquer objeto é um múltiplo inteiro da carga elementar. Assim, a carga de um objeto pode ser exatamente 0  e , ou exatamente 1  e , −1  e , 2  e , etc., mas não, digamos,1/2 e , ou -3,8  e , etc. (Pode haver exceções a esta declaração, dependendo de como o "objeto" é definido; veja abaixo.)

Esta é a razão da terminologia "carga elementar": significa que se trata de uma unidade indivisível de carga.

Cobre menos do que uma carga elementar

Existem dois tipos conhecidos de exceções à indivisibilidade da carga elementar: quarks e quasipartículas .

  • Quarks , postulados pela primeira vez na década de 1960, têm carga quantizada, mas a carga é quantizada em múltiplos de1/3e . No entanto, os quarks não podem ser vistos como partículas isoladas; eles existem apenas em agrupamentos, e agrupamentos estáveis ​​de quarks (como um próton , que consiste em três quarks), todos têm cargas que são múltiplos inteiros de e . Por este motivo, 1  e ou1/3 e pode ser justificadamente considerado "o quantum de carga", dependendo do contexto. Esta comensurabilidade de carga, "quantização de carga", motivou parcialmente as Teorias Grand unificadas .
  • As quasipartículas não são partículas como tais, mas sim uma entidade emergente em um sistema material complexo que se comporta como uma partícula. Em 1982, Robert Laughlin explicou o efeito Hall quântico fracionário postulando a existência de quasipartículas com carga fracionária . Essa teoria agora é amplamente aceita, mas isso não é considerado uma violação do princípio de quantização de carga, uma vez que quasipartículas não são partículas elementares .

Qual é o quantum de carga?

Todas as partículas elementares conhecidas , incluindo quarks, têm cargas que são múltiplos inteiros de1/3 e . Portanto, pode-se dizer que o " quantum de carga" é1/3 e . Nesse caso, diz-se que a "carga elementar" é três vezes maior que o "quantum de carga".

Por outro lado, todas as partículas isoláveis têm cargas que são múltiplos inteiros de e . (Quarks não podem ser isolados: eles só existem em estados coletivos como prótons que têm cargas totais que são múltiplos inteiros de e .) Portanto, pode-se dizer que o "quantum de carga" é e , com a condição de que os quarks não sejam incluído. Nesse caso, "carga elementar" seria sinônimo de "quantum de carga".

Na verdade, ambas as terminologias são usadas. Por essa razão, frases como "o quantum de carga" ou "a unidade indivisível de carga" podem ser ambíguas, a menos que especificações adicionais sejam fornecidas. Por outro lado, o termo "carga elementar" não é ambíguo: refere-se a uma quantidade de carga igual à de um próton.

Falta de cargas fracionárias

Paul Dirac argumentou em 1931 que se existem monopólos magnéticos , então a carga elétrica deve ser quantizada; no entanto, não se sabe se os monopólos magnéticos realmente existem. Atualmente não se sabe por que as partículas isoláveis ​​são restritas a cargas inteiras; grande parte do cenário da teoria das cordas parece admitir cargas fracionárias.

Medidas experimentais da carga elementar

Antes da leitura, é preciso lembrar que a carga elementar está definida exatamente desde 20 de maio de 2019 pelo Sistema Internacional de Unidades .

Em termos de constante de Avogadro e constante de Faraday

Se a constante de Avogadro N A e a constante de Faraday F são conhecidas independentemente, o valor da carga elementar pode ser deduzido usando a fórmula

(Em outras palavras, a carga de um mol de elétrons, dividido pelo número de elétrons em um mol, é igual à carga de um único elétron.)

Este método não é como os valores mais precisos são medidos hoje. No entanto, é um método legítimo e ainda bastante preciso, e as metodologias experimentais são descritas a seguir.

O valor da constante de Avogadro N A foi primeiro aproximado por Johann Josef Loschmidt que, em 1865, estimou o diâmetro médio das moléculas no ar por um método que é equivalente ao cálculo do número de partículas em um determinado volume de gás. Hoje, o valor de N A pode ser medido com uma precisão muito alta tomando um cristal extremamente puro (geralmente silício ), medindo a distância entre os átomos usando difração de raios-X ou outro método e medindo com precisão a densidade do cristal. A partir dessa informação, pode-se deduzir a massa ( m ) de um único átomo; e uma vez que a massa molar ( M ) é conhecido, o número de átomos de uma toupeira pode ser calculado: N A  = H / m .

O valor de F pode ser medido diretamente usando as leis da eletrólise de Faraday . As leis da eletrólise de Faraday são relações quantitativas baseadas nas pesquisas eletroquímicas publicadas por Michael Faraday em 1834. Em um experimento de eletrólise , há uma correspondência um-a-um entre os elétrons que passam pelo fio ânodo a cátodo e os íons que as placas dentro ou fora do ânodo ou cátodo. Medindo a variação da massa do ânodo ou cátodo, e a carga total que passa através do fio (o qual pode ser medido como o tempo-integrante da corrente eléctrica ), e também tendo em conta a massa molar dos iões, pode-se deduzir F .

O limite para a precisão do método é a medição de F : o melhor valor experimental tem uma incerteza relativa de 1,6 ppm, cerca de trinta vezes maior do que outros métodos modernos de medição ou cálculo da carga elementar.

Experiência de gota de óleo

Um método famoso para medir e é o experimento da gota de óleo de Millikan. Uma pequena gota de óleo em um campo elétrico se moveria a uma taxa que equilibrava as forças de gravidade , viscosidade (de viajar pelo ar) e força elétrica . As forças devido à gravidade e viscosidade podem ser calculadas com base no tamanho e na velocidade da gota de óleo, de modo que a força elétrica pode ser deduzida. Como a força elétrica, por sua vez, é o produto da carga elétrica e do campo elétrico conhecido, a carga elétrica da gota de óleo poderia ser calculada com precisão. Ao medir as cargas de muitas gotas de óleo diferentes, pode-se ver que as cargas são todos múltiplos inteiros de uma única carga pequena, ou seja, e .

A necessidade de medir o tamanho das gotas de óleo pode ser eliminada usando pequenas esferas de plástico de tamanho uniforme. A força devida à viscosidade pode ser eliminada ajustando a força do campo elétrico de forma que a esfera paire imóvel.

Ruído de tiro

Qualquer corrente elétrica estará associada a ruído de uma variedade de fontes, uma das quais é o ruído de disparo . O ruído de disparo existe porque a corrente não é um fluxo contínuo regular; em vez disso, uma corrente é composta de elétrons discretos que passam um de cada vez. Analisando cuidadosamente o ruído de uma corrente, a carga de um elétron pode ser calculada. Este método, proposto pela primeira vez por Walter H. Schottky , pode determinar um valor de e cuja precisão é limitada a alguns por cento. No entanto, foi usado na primeira observação direta de quasipartículas de Laughlin , implicadas no efeito Hall quântico fracionário .

Das constantes Josephson e von Klitzing

Outro método preciso para medir a carga elementar é inferi-la a partir de medições de dois efeitos na mecânica quântica : o efeito Josephson , oscilações de voltagem que surgem em certas estruturas supercondutoras ; e o efeito Hall quântico , um efeito quântico de elétrons em baixas temperaturas, campos magnéticos fortes e confinamento em duas dimensões. A constante Josephson é

onde h é a constante de Planck . Ele pode ser medido diretamente usando o efeito Josephson .

A constante de von Klitzing é

Ele pode ser medido diretamente usando o efeito Hall quântico .

A partir dessas duas constantes, a carga elementar pode ser deduzida:

Método CODATA

A relação usada pelo CODATA para determinar a carga elementar foi:

em que h é a constante de Planck , α é a constante de estrutura fina , μ 0 é a constante magnética , £ 0 é a constante eléctrico , e c é a velocidade da luz . Atualmente esta equação reflete uma relação entre ε 0 e α , enquanto todas as outras são valores fixos. Assim, as incertezas padrão relativas de ambos serão as mesmas.

Veja também

Referências

Leitura adicional

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