脈沖電暈放電的電子荷電機(jī)理及提高微粒子荷電的研究

電荷是物質(zhì)、原子或電子等所帶的電的量。單位是庫侖(記號(hào)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(chǎng)(庫侖力)的大小。此外，根據(jù)電場(chǎng)作用力的方向性，電荷可分為正電荷與負(fù)電荷，電子則帶有負(fù)電。

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

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

點(diǎn)電荷 是帶電粒子的理想模型。真正的點(diǎn)電荷并不存在，只有當(dāng)帶電粒子之間的距離遠(yuǎn)大于粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對(duì)于相互作用力的影響足以忽略時(shí)，此帶電體就能稱為"點(diǎn)電荷"。物質(zhì)的一種固有屬性.電荷有兩種:正電荷和負(fù)電荷.物體由于摩擦、加熱、射線照射、化學(xué)變化等原因，失去部分電子時(shí)物體帶正電，獲得部分電子時(shí)物體帶負(fù)電.帶有多余正電荷或負(fù)電荷的物體叫做帶電體，習(xí)慣上有時(shí)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(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷除產(chǎn)生電場(chǎng)外還產(chǎn)生磁場(chǎng).因此靜止或運(yùn)動(dòng)的電荷都會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有運(yùn)動(dòng)電荷才能受磁場(chǎng)力作用.

一個(gè)實(shí)際帶電體能否看作點(diǎn)電荷，不僅與帶電體本身有關(guān)，還取決于問題的性質(zhì)和精度的要求。點(diǎn)電荷是建立基本規(guī)律時(shí)必要的抽象概念，也是把分析復(fù)雜問題時(shí)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(chǎng)以及帶電體之間相互作用的定量研究，試驗(yàn)電荷的引入等等，都應(yīng)用了點(diǎn)電荷的觀念。

在粒子物理學(xué)中，許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學(xué)中是一個(gè)相加性量子數(shù)，電荷守恒定律也適用于粒子，反應(yīng)前粒子的電荷之和等于反應(yīng)后粒子的電荷之和，這對(duì)于強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴(yán)格成立的。

自然界中的電荷只有兩種,即正電荷和負(fù)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(fù)電荷。 電荷的最基本的性質(zhì)是:同種電荷相互排斥,異種電荷相互吸引。物質(zhì)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(yīng)、加熱、照射等等都能使物體帶電。電分正、負(fù)，同號(hào)排斥，異號(hào)吸引，正負(fù)結(jié)合，彼此中和，電可以轉(zhuǎn)移，此增彼減，而總量不變。

構(gòu)成物質(zhì)的基本單元是原子，原子由電子和原子核構(gòu)成，核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成 ，電子帶負(fù)電， 質(zhì)子帶正電，是正、負(fù)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(zhì)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(zhì)而單獨(dú)存在的電荷 。 在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，不管發(fā)生了什么變化，電子、質(zhì)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(zhì)量作一些類比。電荷有正、負(fù)之分，于是電力有排斥力和吸引力的區(qū)別，質(zhì)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(zhì)量有隨運(yùn)動(dòng)變化的相對(duì)論效應(yīng);而電子、質(zhì)子以及一切帶電體的電量都不因運(yùn)動(dòng)變化，電量是相對(duì)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(zhì)子與電子電量(絕對(duì)值)之差小于 10-20e，通常認(rèn)為兩者的絕對(duì)值完全相等。電子十分穩(wěn)定 ，估計(jì)其壽命超過1010億年，比迄今推測(cè)的宇宙年齡還要長(zhǎng)得多。

荷所謂分?jǐn)?shù)電荷是指比電子電量小的電荷，如果存在，將動(dòng)搖電子、質(zhì)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(qiáng)子由夸克組成的理論，預(yù)言夸克有多種，其電荷有、種。但尚沒有關(guān)于分?jǐn)?shù)電荷存在的該項(xiàng)目屬于粒子物理理論研究領(lǐng)域。電荷共軛-宇稱(CP)對(duì)稱性涉及到空間和物質(zhì)的基本對(duì)稱性，一直是粒子物理研究的前沿領(lǐng)域。Cronin和Fitch因發(fā)現(xiàn)CP破壞而榮獲諾貝爾獎(jiǎng)。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(duì)探索自然界新的作用力和理論有著重要意義，而且對(duì)弄清CP破壞的起源起著關(guān)鍵性的作用。自1964年起物理學(xué)家一直致力于對(duì)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(yù)言，得到歐洲核子中心NA48和美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室KTeV兩個(gè)重要實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。由此實(shí)驗(yàn)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(yàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞機(jī)制,排除了超弱作用理論。該項(xiàng)目同時(shí)解釋了困擾粒子物理學(xué)界近五十年的所謂ΔI=1/2規(guī)則。被國(guó)際同行公認(rèn)為"北京組"工作,得到國(guó)際上實(shí)驗(yàn)和理論主要專家的認(rèn)可和引用。該項(xiàng)目對(duì)CP對(duì)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(jìn)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(duì)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(guó)際核心刊物上發(fā)表了幾十篇論文，總引用率達(dá)1000余次。發(fā)表在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》(PRL)上的論文單篇引用達(dá)90余次。

高壓產(chǎn)生的電荷兩種電荷學(xué)生實(shí)驗(yàn):將學(xué)生分組。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中電荷的流失，最好兩名同學(xué)同時(shí)進(jìn)行操作;

實(shí)驗(yàn)過程:

(1)、兩位同學(xué)同時(shí)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(shí)驗(yàn);

(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(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)總結(jié);人們用各種各樣的材料做了大量的實(shí)驗(yàn)，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(guó)科學(xué)家富蘭克林對(duì)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(fù)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(jì)算。2、點(diǎn)電荷作用力為一對(duì)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)得出靜電作用定律.人類從此對(duì)電磁現(xiàn)象進(jìn)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(yīng)。

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(yīng)定律。

1864年，麥克斯韋(J.C.Maxwell,1831-1879)在總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)定律的基礎(chǔ)上提出電磁場(chǎng)方程組，并從他的方程組預(yù)言電磁波的存在，進(jìn)而指出光的電磁本質(zhì)。

1887年，赫茲(H.Hertz,1857-1894)以實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在,并對(duì)麥克斯韋方程組進(jìn)行了整理和簡(jiǎn)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(chǎng)中受力的公式.至此,經(jīng)典電磁理論的基礎(chǔ)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(gè)基本粒子。物理學(xué)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(zhì)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子，這是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以"油滴"實(shí)驗(yàn)測(cè)量了電子的電荷質(zhì)量比。

1911 E.Rutherford 跟據(jù) a粒子碰撞金屬箔的散射實(shí)驗(yàn)，提出原子的有核模型;1920年，又猜測(cè)原子核內(nèi)除存在帶正電的"質(zhì)子"外，還應(yīng)當(dāng)含有一種中性粒子。

1930 A.M.Dirac 將相對(duì)論引進(jìn)量子力學(xué)，提出相對(duì)論電子理論,預(yù)言存在電子的反粒子--正電子(同時(shí)預(yù)言存在磁單極) 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙線中發(fā)現(xiàn)正電子，證實(shí)了Dirac 的預(yù)言J.Chadwick 發(fā)現(xiàn)中子，證實(shí)了Rutherford 的猜測(cè)W.K.Heisenborg 和伊萬年科各自建立原子核由質(zhì)子和中子組成的假說 。

1935湯川秀樹(H.Yukawa)提出強(qiáng)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(zhì)子。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型自1980年代起在加速器的電子-質(zhì)子碰撞實(shí)驗(yàn)中，先后發(fā)現(xiàn)了理論預(yù)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(xué)家在歐洲核子中心(CERN)的加速器中發(fā)現(xiàn)反質(zhì)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(yù)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(hào)e表示。

-19

e=1.6×10^-19

點(diǎn)電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點(diǎn)電荷并不存在，只有當(dāng)帶電粒子之間的距離遠(yuǎn)大于粒子的尺寸，或是帶電粒子的形狀與大小對(duì)于相互作用力的影響足以忽略時(shí)，此帶電體就能稱為"點(diǎn)電荷"。 帶電是物質(zhì)的一種固有屬性。電荷有兩種:正電荷和負(fù)電荷。物體由于摩擦、加熱、射線照射、化學(xué)變化等原因，失去部分電子時(shí)物體帶正電，獲得部分電子時(shí)物體帶負(fù)電。帶有多余正電荷或負(fù)電荷的物體叫做帶電體，習(xí)慣上有時(shí)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(chǎng)，運(yùn)動(dòng)電荷除產(chǎn)生電場(chǎng)外還產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此靜止或運(yùn)動(dòng)的電荷都會(huì)受到電場(chǎng)力作用，只有運(yùn)動(dòng)電荷才能受磁場(chǎng)力作用。

一個(gè)實(shí)際帶電體能否看作點(diǎn)電荷，不僅與帶電體本身有關(guān)，還取決于問題的性質(zhì)和精度的要求。點(diǎn)電荷是建立基本規(guī)律時(shí)必要的抽象概念，也是把分析復(fù)雜問題時(shí)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(chǎng)以及帶電體之間相互作用的定量研究，試驗(yàn)電荷的引入等等，都應(yīng)用了點(diǎn)電荷的觀念。

在粒子物理學(xué)中，許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學(xué)中是一個(gè)相加性量子數(shù)，電荷守恒定律也適用于粒子，反應(yīng)前粒子的電荷之和等于反應(yīng)后粒子的電荷之和，這對(duì)于強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用都是嚴(yán)格成立的。