電子電荷

電荷的一個重要特性是它的“量子性”，即任何帶電體的電荷只能是某一基本單位的整數倍。這個基本單位就是一個電子所帶的電荷，叫做電子電荷。

國際單位制中安培新的定義由電子電荷來定義。

基本介紹

• 中文名：電子電荷
• 外文名：electron charge
• 表達式：e
• 套用學科：物理學，計量 
• 適用範圍：微觀物理世界
• 大小：1.602176634 × 10^(-19) C

簡介

質子的電荷與電子電荷的絕對值相同，只不過質子的電荷是正的。近代物理從理論上預言有一種電量為±（1/3）e或±（2/3）e的基本粒子（稱為層子或夸克）存在，並認為質子和中子等許多粒子都由層子組成，不過層子至二十一世紀初尚未直接為實驗發現。

電子發現於1897年。當時J.J.湯姆生並沒有能夠直接測到電子電荷，後來用雲霧法也只能確定其數量級，直到1909年密立根用油滴儀才得到精確結果。1929年，伯奇經過仔細研究，指出密立根用油滴儀得出的電子的電荷值e=（4.772±0.005）×10⁻¹⁰esu與貝克林（Backlin）用X射線對晶體布拉格衍射得到的電子電荷值e=（4.794±0.015）×10⁻¹⁰esu有系統偏差。他雖然最後還是採納了密立根的結果作為平差值，但同時指出，應繼續改進這兩種方法，以查明分歧的起因究竟在那裡。

1931年有人發現，原來是密立根在計算油滴運動時用的粘滯係數不正確。這一數據是密立根的研究生用扭秤實驗測得的，這個研究生忽略了懸筒兩端的粘滯阻力和附在懸筒上的空氣所造成的阻力對轉動慣量的影響。如果考慮這些因素對粘滯係數作出修正，正好可以彌補兩種方法之間的偏差。下表舉出了歷年來得出的電子電荷值。

電荷

電荷是物質、原子或電子等所帶的電的量。單位是庫侖（記號為C）。

我們常將“帶電粒子”稱為電荷，但電荷本身並非“粒子”，只是我們常將它想像成粒子以方便描述。因此帶電量多者我們稱之為具有較多電荷，而電量的多寡決定了力場（庫侖力）的大小。此外，根據電場作用力的方向性，電荷可分為正電荷與負電荷，電子則帶有負電。

原理

電荷的多少叫電荷量即物質、原子或電子等所帶的電的量。單位是庫侖（記號為C）簡稱庫。

根據庫侖定律，帶有同種電荷的物體之間會互相排斥，帶有異種電荷的物體之間會互相吸引。排斥或吸引的力與電荷的乘積成正比。

點電荷

點電荷 是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷並不存在，只有當帶電粒子之間的距離遠大於粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對於相互作用力的影響足以忽略時，此帶電體就能稱為“點電荷”。物質的一種固有屬性．電荷有兩種：正電荷和負電荷．物體由於摩擦、加熱、射線照射、化學變化等原因，失去部分電子時物體帶正電，獲得部分電子時物體帶負電．帶有多餘正電荷或負電荷的物體叫做帶電體，習慣上有時把帶電體叫做電荷．

電荷間存在相互作用．靜止電荷在周圍空間產生靜電場，運動電荷除產生電場外還產生磁場．因此靜止或運動的電荷都會受到電場力作用，只有運動電荷才能受磁場力作用．

一個實際帶電體能否看作點電荷，不僅與帶電體本身有關，還取決於問題的性質和精度的要求。點電荷是建立基本規律時必要的抽象概念，也是把分析複雜問題時不可少的分析手段。例如，庫侖定律、洛倫茲定律的建立，帶電體的電場以及帶電體之間相互作用的定量研究，試驗電荷的引入等等，都套用了點電荷的觀念。

粒子的電荷

在粒子物理學中，許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學中是一個相加性量子數，電荷守恆定律也適用於粒子，反應前粒子的電荷之和等於反應後粒子的電荷之和，這對於強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴格成立的。

自然界中的電荷只有兩種,即正電荷和負電荷。由絲綢摩擦的玻璃棒所帶的電荷叫做正電荷,由毛皮摩擦的橡膠棒所帶的電荷叫負電荷。 電荷的最基本的性質是:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。物質的固有屬性之一。琥珀經摩擦後能夠吸引輕小物體的現象是物體帶電的最早發現。繼而發現雷擊、感應、加熱、照射等等都能使物體帶電。電分正、負，同號排斥，異號吸引，正負結合，彼此中和，電可以轉移，此增彼減，而總量不變。

構成物質的基本單元是原子，原子由電子和原子核構成，核又由質子和中子構成 ，電子帶負電， 質子帶正電，是正、負電荷的基本單元，中子不帶電。所謂物體不帶電就是電子數與質子數相等，物體帶電則是這種平衡的破壞。在自然界中不存在脫離物質而單獨存在的電荷 。 在一個孤立系統中，不管發生了什麼變化，電子、質子的總數不變，只是組合方式或所在位置有所變化，因而電荷必定守恆。

為了說明電荷的特徵，不妨與質量作一些類比。電荷有正、負之分，於是電力有排斥力和吸引力的區別，質量只有一種，其間總是相互吸引，正是這種區別，使電力可以禁止，引力則無從禁止。A.愛因斯坦描述了質量有隨運動變化的相對論效應；而電子、質子以及一切帶電體的電量都不因運動變化，電量是相對論性的不變數。電荷具有量子性，任何電荷都是電子電荷e的整數倍 ，e的精確值(1986年推薦值)為： e=1.60217733×10^-19庫質子與電子電量（絕對值）之差小於 10-20e，通常認為兩者的絕對值完全相等。電子十分穩定 ，估計其壽命超過1010億年，比迄今推測的宇宙年齡還要長得多。

分數電荷

荷所謂分數電荷是指比電子電量小的電荷，如果存在，將動搖電子、質子作為電荷基元的地位，具有重要的理論意義。1964年，M.蓋耳-曼提出強子由夸克組成的理論，預言夸克有多種，其電荷有、種。但尚沒有關於分數電荷存在的該項目屬於粒子物理理論研究領域。電荷共軛—宇稱（CP）對稱性涉及到空間和物質的基本對稱性，一直是粒子物理研究的前沿領域。Cronin和Fitch因發現CP破壞而榮獲諾貝爾獎。但他們發現的只是間接CP破壞，既可由弱作用引起，也可由超弱作用來解釋。要區分它們，必須研究直接CP破壞。這不僅對探索自然界新的作用力和理論有著重要意義，而且對弄清CP破壞的起源起著關鍵性的作用。自1964年起物理學家一直致力於對直接CP破壞的研究。

探索了近四十年的直接CP破壞給出更精確和自洽的理論預言，得到歐洲核子中心NA48和美國費米實驗室KTeV兩個重要實驗的證實。由此實驗和理論首次確立了自然界中直接CP破壞的存在，成功地檢驗了標準模型的CP破壞機制,排除了超弱作用理論。該項目同時解釋了困擾粒子物理學界近五十年的所謂ΔI=1/2規則。被國際同行公認為“北京組”工作,得到國際上實驗和理論主要專家的認可和引用。該項目對CP對稱性自發破缺的雙黑格斯二重態模型（S2HDM）中一些重要的物理唯象進行系統研究，指出S2HDM可以成為CP破壞起源的一種新物理模型。在電荷-宇稱對稱性破壞和夸克-輕子味物理理論研究方面，吳岳良作為主要完成人在國際核心刊物上發表了幾十篇論文，總引用率達1000餘次。發表在美國《物理評論快報》（PRL）上的論文單篇引用達90餘次。

電荷實驗

高壓產生的電荷兩種電荷學生實驗：將學生分組。

實驗器材有：

（1）、玻璃棒、橡膠棒各兩根；

（2）、毛皮、綢子各兩塊；

（3）、支架；為了避免實驗中電荷的流失，最好兩名同學同時進行操作；

實驗過程：

（1）、兩位同學同時都用綢子摩擦玻璃棒，使它帶電，將一根放在支座上，注意：要記住哪端帶電，不要用手摸帶電的一端，用另一根玻璃棒的帶電端靠近這根玻璃棒的帶電端，觀察發生的現象

（2）、用毛皮摩擦橡膠棒，重做剛才的實驗；

（3）、用綢子摩擦過的玻璃棒和用毛皮摩擦過的橡膠棒，做剛才的實驗。

實驗總結：人們用各種各樣的材料做了大量的實驗，人們發現帶電物體凡是跟綢子摩擦過的玻璃棒互相吸引的，必定跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相排斥；凡是跟毛皮摩擦過的橡膠棒互相吸引的，必定跟綢子摩擦過的玻璃棒互相排斥。就是說物體帶的電荷要么跟綢子摩擦過的玻璃棒所帶電荷相同，要么跟毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷相同，沒有第三種可能，自然界中只有這樣兩種電荷，美國科學家富蘭克林對這兩種電荷做出規定：綢子摩擦過的玻璃棒所帶電荷叫做正電荷，毛皮摩擦過的橡膠棒所帶電荷叫做負電荷。

1、電荷之間相互作用規律：同性相斥，異性相吸，大小用庫侖定律來計算。

2、點電荷作用力為一對相互作用力，遵循牛頓第三定律。

3、庫侖定律的適用條件：真空中靜止點電荷間的相互作用力（均勻帶電體間、均勻帶電球殼間也可）。

電荷的歷史

1785年，庫侖(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤實驗得出靜電作用定律.人類從此對電磁現象進入了定量研究。

1820年，奧斯特(H.C.Oersted,1771-1851)發現電流的磁效應。

1820年，安培（A.M.Ampère,1775-1836）發現電流之間的互作用定律。

1831年，法拉第（M.Faraday,1791-1867）發現電磁感應定律。

1864年，麥克斯韋（J.C.Maxwell,1831-1879）在總結前人實驗定律的基礎上提出電磁場方程組，並從他的方程組預言電磁波的存在，進而指出光的電磁本質。

1887年，赫茲（H.Hertz,1857-1894）以實驗證實了電磁波的存在,並對麥克斯韋方程組進行了整理和簡化。

1895年，洛倫茲（H.A.Lorentz,1853-1928）發表“電子論”並給出電荷在電磁場中受力的公式.至此,經典電磁理論的基礎已經確立。

1897年，湯姆遜（J.J.Thomson，1856-1940）在陰極射線管中發現了電子(e-)，這是人類歷史上發現的第一個基本粒子。物理學家們陸續發現了一大批帶電的或電中性的粒子，其中包括質子(p)、正電子(e+)和中子(n)。

1897 J.J.Thomson 在陰極射線實驗中發現了電子，這是人類發現的第一個基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以“油滴”實驗測量了電子的電荷質量比。

1911 E.Rutherford 跟據 a粒子碰撞金屬箔的散射實驗，提出原子的有核模型；1920年，又猜測原子核內除存在帶正電的“質子”外，還應當含有一種中性粒子。

1930 A.M.Dirac 將相對論引進量子力學，提出相對論電子理論,預言存在電子的反粒子——正電子（同時預言存在磁單極） 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙線中發現正電子，證實了Dirac 的預言J.Chadwick 發現中子，證實了Rutherford 的猜測W.K.Heisenborg 和伊萬年科各自建立原子核由質子和中子組成的假說 。

1935湯川秀樹（H.Yukawa）提出強作用的介子理論；1950年C.F.Powell 在宇宙線中發現 p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙線中發現 m子 。

1947-- 陸續在宇宙線和加速器中先後發現了一批奇異粒子：L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955 O.Chamberlain和 E. G. Segre在加速器中發現反質子。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出強子結構的夸克模型自1980年代起在加速器的電子—質子碰撞實驗中，先後發現了理論預言的3色 6味、以束縛態存在的夸克和反夸克（最重的t夸克直到 1995年才被發現）。

1964 一組科學家在歐洲核子中心（CERN）的加速器中發現反質子和反中子組成的反氘核 。

1983 C.Rubbia等在歐洲核子中心發現電弱統一理論預言的 W±和 Z0粒子。

在各種帶電微粒中，電子電荷量的大小是最小的。人們把最小電荷叫做元電荷，常用符號e表示。

2018年11月16日，國際計量大會通過決議，1安培被定義為“1s內通過(1602176634)^-1×10個電子電荷所對應的電流”

e= 1.602176634 × 10^-19 C