Carga elemental

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Carga transportada por un protón o electrones

La carga elemental, generalmente denotada por e, es la carga eléctrica transportada por un solo protón o, de manera equivalente, la magnitud de la carga eléctrica negativa transportada por un solo electrón, que tiene carga −1 e. Esta carga elemental es una constante física fundamental.

En el sistema SI de unidades, el valor de la carga elemental se define exactamente como $e$ =1.602176634×10⁻¹⁹ coulombs, o 160.2176634 zeptocoulombs (zC). Desde la redefinición 2019 de unidades base SI, las siete unidades base SI se definen por siete constantes físicas fundamentales, de las cuales la carga elemental es una.

En el sistema de unidades centímetro-gramo-segundo (CGS), la cantidad correspondiente es 4,8032047...×10^{− 10} statculombios.

El experimento de la gota de aceite de Robert A. Millikan y Harvey Fletcher midió directamente por primera vez la magnitud de la carga elemental en 1909, con una diferencia del valor aceptado en la actualidad en solo un 0,6 %. Bajo los supuestos de la entonces disputada teoría atómica, Max Planck en 1901 también había inferido indirectamente la carga elemental con una precisión de ~3% a partir de los espectros de cuerpo negro y (a través de la constante de Faraday) con una precisión del orden de magnitud de Johann Loschmidt's medición del número de Avogadro en 1865.

Como una unidad

En algunos sistemas de unidades naturales, como el sistema de unidades atómicas, e funciona como la unidad de carga eléctrica. El uso de la carga elemental como unidad fue promovido por George Johnstone Stoney en 1874 para el primer sistema de unidades naturales, llamado unidades Stoney. Posteriormente, propuso el nombre electrón para esta unidad. En ese momento, la partícula que ahora llamamos electrón aún no se había descubierto y la diferencia entre la partícula electrón y la unidad de carga electrón todavía era borrosa. Posteriormente, a la partícula se le asignó el nombre de electrón y la unidad de carga e perdió su nombre. Sin embargo, la unidad de energía electronvoltio (eV) es un remanente del hecho de que la carga elemental alguna vez se llamó electrón.

En algunos otros sistemas de unidad natural la unidad de carga se define como ${displaystyle {sqrt {varepsilon _{0}hbar c}},}$ con el resultado de que

{displaystyle e={sqrt {4pi alpha }}{sqrt {varepsilon _{0}hbar c}}approx 0.30282212088{sqrt {varepsilon _{0}hbar c}},}

α

c

ε 0

▪

cuantización

Cuantización de carga es el principio de que la carga de cualquier objeto es un múltiplo entero de la carga elemental. Por lo tanto, la carga de un objeto puede ser exactamente 0 e , o exactamente 1 e , −1 e , 2 e , etc., pero no 1 / 2 e , o −3.8 e , etc. (puede haber excepciones a esta declaración, dependiendo de cómo " objeto " se define; ver más abajo).

Esta es la razón de la Terminología " Elemental Charge ": está destinado a implicar que es una unidad de carga indivisible.

carga elemental fraccional

Hay dos tipos conocidos de excepciones a la indivisibilidad de la carga elemental: quarks y cuasipartículas.

Los quarks, que se presentaron por primera vez en la década de 1960, tienen carga cuantitativa, pero la carga se cuantifica en múltiplos de 1/3e. Sin embargo, los quarks no pueden ser aislados; sólo existen en agrupaciones, y agrupaciones estables de quarks (como un protón, que consta de tres quarks) todos tienen cargos que son números enteros de e. Por esta razón, ya sea 1e o 1/3 e se puede considerar justificadamente como "el cuántico de carga", dependiendo del contexto. Este cargo proporcionalidad, "cuantización de carga", ha motivado parcialmente Gran Teorías unificadas.
Las partículas no son partículas como tales, sino más bien una entidad emergente en un sistema material complejo que se comporta como una partícula. En 1982 Robert Laughlin explicó el efecto fraccional de la Sala Cuántica postulando la existencia de cuasipartículas cargadas fraccionadamente. Esta teoría es ahora ampliamente aceptada, pero esto no se considera una violación del principio de la cuantificación de carga, ya que las cuasipartículas no son partículas elementales.

Cuántica de carga

(feminine)

Todas las partículas elementales conocidas, incluidos los quarks, tienen cargas que son múltiplos enteros de 1/3 e. Por lo tanto, el "quantum de carga" es 1/3 e. En este caso, se dice que la "carga elemental" es tres veces mayor que el "cuanto de carga".

Por otro lado, todas las partículas aislables tienen cargas que son múltiplos enteros de e. (Los quarks no se pueden aislar: solo existen en estados colectivos como los protones que tienen cargas totales que son múltiplos enteros de e). Por lo tanto, el "cuanto de carga" es e, con la condición de que no se incluyan los quarks. En este caso, "carga elemental" sería sinónimo de "cuanto de carga".

De hecho, se utilizan ambas terminologías. Por esta razón, frases como "el cuanto de carga" o "la unidad de carga indivisible" puede ser ambiguo a menos que se den especificaciones adicionales. Por otro lado, el término "carga elemental" es inequívoco: se refiere a una cantidad de carga igual a la de un protón.

Falta de cobros fraccionarios

Paul Dirac argumentó en 1931 que si existen monopolos magnéticos, entonces la carga eléctrica debe cuantificarse; sin embargo, se desconoce si realmente existen monopolos magnéticos. Actualmente se desconoce por qué las partículas aislables están restringidas a cargas enteras; gran parte del panorama de la teoría de cuerdas parece admitir cargas fraccionarias.

Medidas experimentales de la carga elemental

Antes de leer, hay que recordar que la carga elemental está definida exactamente desde el 20 de mayo de 2019 por el Sistema Internacional de Unidades.

En términos de la constante de Avogadro y la constante de Faraday

Si la constante de Avogadro N_A y la constante de Faraday F se conocen de forma independiente, el valor de la carga elemental se puede deducir mediante la fórmula

{displaystyle e={frac {F}{N_{text{A}}}}.}

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

Este método no es cómo se miden los valores más precisos en la actualidad. Sin embargo, es un método legítimo y todavía bastante preciso, y las metodologías experimentales se describen a continuación.

El valor de la constante de Avogadro N_A fue aproximado por primera vez por Johann Josef Loschmidt quien, en 1865, estimó el diámetro promedio de las moléculas en el aire mediante un método que es equivalente a calcular el número de partículas en un volumen dado de gas. Hoy en día, el valor de N_A se puede medir con una precisión muy alta tomando un cristal extremadamente puro (a menudo de silicio), midiendo qué tan separados están los átomos usando rayos X. difracción u otro método, y midiendo con precisión la densidad del cristal. A partir de esta información, se puede deducir la masa (m) de un solo átomo; y dado que se conoce la masa molar (M), se puede calcular el número de átomos en un mol: N_A = M /m.

El valor de F se puede medir directamente utilizando las leyes de electrólisis de Faraday. Las leyes de electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por Michael Faraday en 1834. En un experimento de electrólisis, existe una correspondencia uno a uno entre los electrones que pasan a través del cable de ánodo a cátodo y los iones que entran o salen del ánodo o cátodo. Midiendo el cambio de masa del ánodo o del cátodo, y la carga total que pasa a través del alambre (que se puede medir como la integral temporal de la corriente eléctrica), y también teniendo en cuenta la masa molar de los iones, se puede deducir F.

El límite de la precisión del método es la medida de F: el mejor valor experimental tiene una incertidumbre relativa de 1,6 ppm, unas treinta veces superior a otros métodos modernos de medida o cálculo de las elementales. cargar.

Experimento de la gota de aceite

Un método famoso para medir e es el experimento de la gota de aceite de Millikan. Una pequeña gota de aceite en un campo eléctrico se movería a una velocidad que equilibrara las fuerzas de la gravedad, la viscosidad (de viajar por el aire) y la fuerza eléctrica. Las fuerzas debidas a la gravedad y la viscosidad podrían calcularse en función del tamaño y la velocidad de la gota de aceite, por lo que podría deducirse la fuerza eléctrica. Dado que la fuerza eléctrica, a su vez, es el producto de la carga eléctrica y el campo eléctrico conocido, la carga eléctrica de la gota de aceite podría calcularse con precisión. Al medir las cargas de muchas gotas de aceite diferentes, se puede ver que las cargas son múltiplos enteros de una sola carga pequeña, a saber, e.

La necesidad de medir el tamaño de las gotas de aceite puede eliminarse utilizando pequeñas esferas de plástico de tamaño uniforme. La fuerza debida a la viscosidad se puede eliminar ajustando la fuerza del campo eléctrico para que la esfera se mantenga inmóvil.

Ruido de disparo

Cualquier corriente eléctrica estará asociada con el ruido de una variedad de fuentes, una de las cuales es el ruido de disparo. El ruido de disparo existe porque una corriente no es un flujo continuo suave; en cambio, una corriente se compone de electrones discretos que pasan uno a la vez. Al analizar cuidadosamente el ruido de una corriente, se puede calcular la carga de un electrón. Este método, propuesto por primera vez por Walter H. Schottky, puede determinar un valor de e cuya precisión se limita a un pequeño porcentaje. Sin embargo, se utilizó en la primera observación directa de cuasipartículas de Laughlin, implicadas en el efecto Hall cuántico fraccional.

De las constantes de Josephson y von Klitzing

Otro método preciso para medir la carga elemental es deducirla de las mediciones de dos efectos en la mecánica cuántica: el efecto Josephson, oscilaciones de voltaje que surgen en ciertas estructuras superconductoras; y el efecto Hall cuántico, un efecto cuántico de electrones a bajas temperaturas, fuertes campos magnéticos y confinamiento en dos dimensiones. La constante de Josephson es

{displaystyle K_{text{J}}={frac {2e}{h}},}

donde h es la constante de planck. Se puede medir directamente usando el efecto Josephson.

La constante von klitzing es

{displaystyle R_{text{K}}={frac {h}{e^{2}}}.}

Se puede medir directamente usando el efecto de la sala cuántica.

De estas dos constantes, se puede deducir la carga elemental:

{displaystyle e={frac {2}{R_{text{K}}K_{text{J}}}}.}

Método Codata

La relación utilizada por Codata para determinar la carga elemental fue:

{displaystyle e^{2}={frac {2halpha }{mu _{0}c}}=2halpha varepsilon _{0}c,}

donde h es la constante de planck, α es la constante de estructura fina, μ ₀ es la constante magnética, ε ₀ es la constante eléctrica, y c es la velocidad de la luz. Actualmente, esta ecuación refleja una relación entre ε ₀ y α , mientras que todos los demás son valores fijos. Por lo tanto, las incertidumbres estándar relativas de ambos serán las mismas.

Pruebas de la universalidad de la carga elemental


Partícula	Cargo previsto	Limitación experimental	Notas
electrones	${displaystyle q_{text{e}}=-e}$	exacta	por definición
Proton	${displaystyle q_{text{p}}=e}$	$<math alttext="{displaystyle left\|{q_{text{p}}-e}right\|Silencioqp− − eSilencio.10− − 21e{displaystyle left WordPress{q_{text{p}-e}right obedeció10^{-21}e}<img alt="{displaystyle left\|{q_{text{p}}-e}right\|$	por no encontrar un sonido mensurable cuando un campo eléctrico alternativo se aplica al gas SF6 en un resonador esférico
positron	${displaystyle q_{{text{e}}^{+}}=e}$	$<math alttext="{displaystyle left\|{q_{{text{e}}^{+}}-e}right\|Silencioqe+− − eSilencio.10− − 9e{displaystyle left WordPress{q_{text{e}} {s}-e}correcto<img alt="{displaystyle left\|{q_{{text{e}}^{+}}-e}right\|$	combinando el mejor valor medido de la carga antiprotona (abajo) con el bajo límite colocado en la carga neta del antihidrógeno por la colaboración ALPHA en CERN.
antiprotones	${displaystyle q_{bar {text{p}}}=-e}$	$<math alttext="{displaystyle left\|{q_{bar {text{p}}}+q_{text{p}}}right\|Silencioqp̄ ̄ +qpSilencio.10− − 9e{displaystyle lefttención{q_{bar Está bien.<img alt="{displaystyle left\|{q_{bar {text{p}}}+q_{text{p}}}right\|$	Hori et al. como se cita en el listado de diferencia de carga antiprotón/protón del Grupo de Datos de partículas El artículo del Grupo de Datos de partículas Wikipedia tiene un enlace a la versión actual en línea de los datos de partículas.

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