元电荷通常记作 ,是一个基本物理常数,表示电子所带电荷的绝对值。电子的电荷为 ,而质子的电荷为 。元电荷本身为正值。在国际单位制(SI)中,其数值精确等于 库仑。它将微观电现象与宏观测量联系起来,并为安培的定义提供了基础。(nist.gov)
数值、单位与正负号
定义元电荷数值的关系式为
其中 C 表示库仑,即电荷的国际单位制单位。由于这一数值由定义固定,因此没有测量不确定度。这并不意味着测量电荷或复现电学单位的实验没有不确定度,而是说,单位制为这一常数赋予了精确的数值。(physics.nist.gov)
必须区分 与带有正负号的电子电荷。“电子电荷”等说法有时指其绝对值,但电子实际带负电。电荷常以 为单位表示:在这样的表格中,数值 表示 ,而不是一库仑。一库仑约相当于 个元电荷,体现了微观电荷尺度与日常电荷尺度之间的巨大差异。(nist.gov)
电荷量子化与粒子结构
对于净电荷由获得或失去电子而产生的普通物体,其电荷量是 的整数倍:
移去一个电子,物体的电荷量就增加 ;加入一个电子,电荷量则减少 。密立根对单个带电液滴的观测,为电荷的这种离散结构提供了直接的实验证据:不同液滴的电荷量及其电荷量的变化,都符合以同一个基本电荷量为增量的规律。(nobelprize.org)
“元”并不意味着构成物质的每一种粒子都只能带有 或 的电荷。在标准模型中,夸克带有分数电荷:上夸克、粲夸克和顶夸克的电荷为 ,下夸克、奇夸克和底夸克的电荷为 。它们的反粒子带有符号相反的电荷。夸克受到色禁闭的约束,尚未被观测到以自由、孤立的粒子形式存在;它们组成复合粒子,即强子。(opendata.cern.ch)
质子由两个上夸克和一个下夸克组成,总电荷为 。中子由一个上夸克和两个下夸克组成,净电荷为零。包括电子在内的带电轻子携带 的电荷,而它们的反粒子携带 的电荷。因此,正电子是电子对应的带正电反粒子。这些粒子的电荷表明,元电荷是约定的电荷基准值,并非适用于所有组成粒子的普遍最小电荷。(hst-archive.web.cern.ch)
实验测定
在元电荷的数值被纳入国际单位制定义之前,它是通过实验测定的。罗伯特·A. 密立根的油滴实验研究了在带电极板之间运动的微小带电液滴。通过液滴在重力和电场作用下的运动,可以推算出其电荷量。对同一液滴在电荷量改变后的测量,尤其有助于确定共同的基本电荷增量。(nobelprize.org)
分析时需要考虑液滴的质量、浮力以及在空气中运动所受的阻力。通过测量液滴的下降和上升速度,可以将其力学行为与作用于它的电场力联系起来。测定空气黏度,并针对极小液滴修正阻力定律,是获得准确结果的关键环节,而不能仅仅停留在观察电荷量呈阶梯式变化这一点上。(nobelprize.org)
密立根因在元电荷和光电效应方面的研究,获得了1923年诺贝尔物理学奖。他的诺贝尔演讲既介绍了实验装置与安排,也阐述了证明电荷具有离散性的证据。(nobelprize.org)
在国际单位制中的作用
2019年5月20日生效的修订版国际单位制,将 列为七个定义常数之一。安培的定义通过固定以库仑为单位表示的元电荷数值来确立,其中
因此,一安培的电流对应于每秒约 个元电荷的净转移量。这一定义为电学测量确立了基准,但并未规定必须使用某一种仪器或实验技术。(nist.gov)
一种单位复现方法是使用以受控频率逐个转移电子的器件。理想情况下,每个周期转移一个电子,就会产生大小为 的电流,其中 为周期频率。漏转移、多转移以及其他实际缺陷都会引入不确定度。这类器件将宏观电流单位与离散的电荷输运直接联系起来。(nist.gov)
相关常数与电学标准
电子伏特将电荷与能量联系起来。它是电子通过一伏特的电势差时所获得的能量:
因此,电子伏特是能量单位,而不是电荷单位。(wwwcompass.cern.ch)
在精密计量学中, 与普朗克常数 共同发挥作用。约瑟夫森效应给出了关系式 ,这是量子电压标准的基础;量子霍尔效应则给出了电阻尺度 。由于 和 在国际单位制中均具有精确数值,这些组合常数也具有精确数值,但实际复现的标准仍存在实验不确定度。因此,量子电学标准在微观物理与电压、电阻和电流的测量之间建立了可重复的联系。(nist.gov)