電子電荷

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，但電荷本身并非"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(jù)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。

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(jù)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 是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷并不存在，只有當帶電粒子之間的距離遠大于粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對于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.物體由于摩擦、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.帶有多余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(chǎn)生靜電場，運動電荷除產(chǎn)生電場外還產(chǎn)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，還取決于問題的性質和精度的要求。點電荷是建立基本規(guī)律時必要的抽象概念，也是把分析復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，都應用了點電荷的觀念。

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(shù)，電荷守恒定律也適用于粒子，反應前粒子的電荷之和等于反應后粒子的電荷之和，這對于強相互作用、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(jīng)摩擦后能夠吸引輕小物體的現(xiàn)象是物體帶電的最早發(fā)現(xiàn)。繼而發(fā)現(xiàn)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(shù)與質子數(shù)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(tǒng)中，不管發(fā)生了什么變化，電子、質子的總數(shù)不變，只是組合方式或所在位置有所變化，因而電荷必定守恒。

為了說明電荷的特征，不妨與質量作一些類比。電荷有正、負之分，于是電力有排斥力和吸引力的區(qū)別，質量只有一種，其間總是相互吸引，正是這種區(qū)別，使電力可以屏蔽，引力則無從屏蔽。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量。電荷具有量子性，任何電荷都是電子電荷e的整數(shù)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)之差小于 10-20e，通常認為兩者的絕對值完全相等。電子十分穩(wěn)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。

荷所謂分數(shù)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。但尚沒有關于分數(shù)電荷存在的該項目屬于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(fā)現(xiàn)CP破壞而榮獲諾貝爾獎。但他們發(fā)現(xiàn)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(qū)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于對直接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(guī)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(fā)破缺的雙黑格斯二重態(tài)模型(S2HDM)中一些重要的物理唯象進行系統(tǒng)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(fā)表了幾十篇論文，總引用率達1000余次。發(fā)表在美國《物理評論快報》(PRL)上的論文單篇引用達90余次。

高壓產(chǎn)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(fā)生的現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(guī)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(guī)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)。

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(xiàn)象進入了定量研究。

1820年，奧斯特(H.C.Oersted,1771-1851)發(fā)現(xiàn)電流的磁效應。

1820年，安培(A.M.Ampère,1775-1836)發(fā)現(xiàn)電流之間的互作用定律。

1831年，法拉第(M.Faraday,1791-1867)發(fā)現(xiàn)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，并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,并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(fā)表"電子論"并給出電荷在電磁場中受力的公式.至此,經(jīng)典電磁理論的基礎已經(jīng)確立。

1897年，湯姆遜(J.J.Thomson，1856-1940)在陰極射線管中發(fā)現(xiàn)了電子(e-)，這是人類歷史上發(fā)現(xiàn)的第一個基本粒子。物理學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)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)。

電荷的發(fā)現(xiàn)

1897 J.J.Thomson 在陰極射線實驗中發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類發(fā)現(xiàn)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(jù) 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(nèi)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(fā)現(xiàn)正電子，證實了Dirac 的預言J.Chadwick 發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn) p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙線中發(fā)現(xiàn) m子 。

1947-- 陸續(xù)在宇宙線和加速器中先后發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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，先后發(fā)現(xiàn)了理論預言的3色 6味、以束縛態(tài)存在的夸克和反夸克(最重的t夸克直到 1995年才被發(fā)現(xiàn))。

1964 一組科學家在歐洲核子中心(CERN)的加速器中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)電弱統(tǒng)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。

-19

e=1.6×10^-19

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(shù)倍。這個基本單位就是一個電子所帶的電荷，叫做電子電荷，記做e。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，并認為質子和中子等許多粒子都由層子組成，不過層子至今尚未直接為實驗發(fā)現(xiàn)。

電子發(fā)現(xiàn)于1897年。當時J.J.湯姆生并沒有能夠直接測到電子電荷，后來用云霧法也只能確定其數(shù)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(jīng)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(tǒng)偏差。 他雖然最后還是采納了密立根的結果作為平差值，但同時指出，應繼續(xù)改進這兩種方法，以查明分歧的起因究竟在那里。

1931年有人發(fā)現(xiàn)，原來是密立根在計算油滴運動時用的粘滯系數(shù)不正確。這一數(shù)據(jù)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系數(shù)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。

密立根油滴實驗，美國物理學家密立根所做的測定電子電荷的實驗。1907-1913年密立根用在電場和重力場地中運動的帶電油滴進行實驗，發(fā)現(xiàn)所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數(shù)倍，該最小電荷值就是電子電荷。用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊水平的平行電極板之間時，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場的情況下，小油滴受重力作用而降落，當重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時，它便作勻速下降，它們之間的關系是:mg=F1+B(1)，式中:mg──油滴受的重力，F(xiàn)1──空氣的粘滯阻力，B──空氣的浮力。

令δ、ρ分別表示油滴和空氣的密度;a為油滴的半徑;η為空氣的粘滯系數(shù);vg為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為 mg=4/3πa^3δg(注:a^3為a的3次方，一下均是)，空氣的浮力mg=4/3πa^3ρg，空氣的粘滯阻力f1=6πηaVg (流體力學的斯托克斯定律，Vg表示v下角標g)。于是(1)式變?yōu)?4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg，可得出油滴的半徑a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2(2)，當平行電極板間加上電場時，設油滴所帶電量為q，它所受到的靜電力為qE，E為平行極板間的電場強度，E=U/d，U為兩極板間的電勢差，d為兩板間的距離。適當選擇電勢差U的大小和方向，使油滴受到電場的作用向上運動，以vE表示上升的速度。當油滴勻速上升時，可得到如下關系式:F2+m=qE+B(3)，式中F2為油滴上升速度為Ve時空氣的粘滯阻力:F2=6πηaVe，由(1)、(3)式得到油滴所帶電量q為q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)(4)。(4)式表明，按(2)式求出油滴的半徑a后，由測定的油滴不加電場時下降速度vg和加上電場時油滴勻速上升的速度vE，就可以求出所帶的電量q。注意上述公式的推導過程中都是對同一個油滴而言的，因而對同一個油滴，要在實驗中測出一組vg、vE的相應數(shù)據(jù)。用上述方法對許多不同的油滴進行測量。結果表明，油滴所帶的電量總是某一個最小固定值的整數(shù)倍，這個最小電荷就是電子所帶的電量e。將儀器接入220伏交流電源。高壓電源調節(jié)置于0位置，旋開油滴室蓋子，把水準器放置在上極板面上，利用調平螺釘將油滴室內(nèi)的平行板電容器板面調節(jié)水平。調節(jié)顯微鏡目鏡，使分劃板刻線明顯清晰。再把大頭針插入上板小孔中，調節(jié)光源角度，直到從顯微鏡中觀察大頭針周圍光場最明亮、范圍最大和光強均勻為止，然后撥出大頭針擰上蓋子準備噴油。由于本步驟要調節(jié)電容器極板，謹防極板帶電，應由教師調節(jié)。用噴霧器將油滴噴入油滴室內(nèi)，從顯微鏡中觀察油滴運動情況。實驗時先找一個合適的油滴(較小的油滴，運動較緩慢，所帶電量小于5個基本電量)，使它自由落下，然后再加上電場使它向上運動(上升太快或太慢就適當調節(jié)電壓)。

這樣在重力和電場力交替作用下，讓油滴反復上升、下落若干次，在整個視場內(nèi)都可以看得很清楚，否則需要重新選擇。用停表作記錄:記錄油滴n次下落一定的距離L(顯微鏡分劃板刻線的距離)，所經(jīng)歷的總時間tg總，記錄油滴n次上升同一距離L，所經(jīng)歷的總時間tE總(兩次記錄必須是對同一油滴)，用油滴所通過的總距離nL分別除以總時間tg總及tE總就得出vg和vE利用公式(4)算出油滴所帶的電量q。按照上述方法選取6-10個不同的油滴進行測量，計算它們各自所帶的電量。數(shù)據(jù)處理:本實驗只要求學生進行簡單的數(shù)字處理和分析。按書后的表格記錄數(shù)據(jù)和計算，該表是用國產(chǎn)油滴儀進行實驗所得到的一組數(shù)據(jù)。

1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進行了多次嘗試，以精確確定它的性質。湯姆生又測量了這種基本粒子的比荷(荷質比)，證實了這個比值是唯一的。許多科學家為測量電子的電荷量進行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國科學家密立根于1917年用實驗測得的。密立根在前人工作的基礎上，進行基本電荷量e的測量，他作了上百次測量，一個油滴要盯住幾個小時，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗，精確地測定基本電荷量e的過程，

是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。為了實現(xiàn)精確測量，他創(chuàng)造了實驗所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測量和控制。開始他是用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，不能得到滿意的結果，后來改用了揮發(fā)性小的油滴。最初，由實驗數(shù)據(jù)通過公式計算出的e值隨油滴的減小而增大，面對這一情況，密立根經(jīng)過分析后認為導致這個謬誤的原因在于，實驗中選用的油滴很小，對它來說，空氣已不能看作連續(xù)媒質，斯托克斯定律已不適用，因此他通過分析和實驗對斯托克斯定律作了修正，得到了合理的結果。密立根的實驗裝置隨著技術的進步而得到了不斷的改進，但其實驗原理至今仍在當代物理科學研究的前沿發(fā)揮著作用，例如，科學家用類似的方法確定出基本粒子──夸克的電量。油滴實驗中將微觀量測量轉化為宏觀量測量的巧妙設想和精確構思，以及用比較簡單的儀器，測得比較精確而穩(wěn)定的結果等都是富有啟發(fā)性的。