§ 30. Делимость электрического заряда. Электрон

МИКРОСКОПИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЭЛЕКТРИЗАЦИИ

При трении и соприкосновении тела приобретают электрические заряды. Чем больше сообщённый заряд, тем сильнее проявляется притяжение или отталкивание. Но что именно происходит внутри вещества при электризации?

Все окружающие нас тела состоят из микроскопических частиц — атомов и молекул. В обычном состоянии любое вещество электрически нейтрально, то есть его суммарный заряд равен нулю. Чтобы объяснить электризацию, естественно предположить, что внутри нейтральных атомов содержатся мельчайшие заряженные частицы, и при контакте тел происходит их перераспределение: часть частиц переходит с одного тела на другое.

В связи с этим возникает фундаментальный вопрос: можно ли делить электрический заряд до бесконечности, как непрерывную жидкость, или в природе существует строгий предел деления — минимальная, далее неделимая порция электричества?

ОПЫТ С ДВУМЯ ЭЛЕКТРОМЕТРАМИ: ДЕЛИМОСТЬ ЗАРЯДА

Возможность дробления электрического заряда легко продемонстрировать в лаборатории с помощью двух абсолютно одинаковых электрометров:

1. Зарядим один из электрометров (например, от эбонитовой палочки), при этом его стрелка отклонится на определённый угол. Второй электрометр оставим незаряженным.
2. Возьмём металлический стержень, закреплённый на изолирующей пластмассовой или стеклянной ручке, и соединим им металлические шары обоих приборов.
3. В момент контакта часть заряда мгновенно перетечёт по стержню на второй электрометр. Поскольку приборы абсолютно одинаковы по конструкции и размерам, исходный заряд разделится ровно пополам: стрелки обоих электрометров установятся на одинаковых делениях, соответствующих половине первоначального заряда.
4. Разрядим второй электрометр (коснувшись его шара рукой) и вновь соединим его стержнем с первым. Оставшийся заряд снова разделится пополам — на каждом приборе останется по 1/4 от начального заряда.

Повторяя эту процедуру, можно получить 1/8, 1/16, 1/32 часть заряда и так далее. Однако этот механический процесс не может продолжаться бесконечно: когда на шаре останется минимальное количество заряженных частиц, дальнейшее деление станет невозможным.

ПРЕДЕЛ ДЕЛЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ ИОФФЕ И МИЛЛИКЕНА

Точные количественные эксперименты, доказавшие существование предела делимости электрического заряда, были независимо проведены в 1910–1911 годах выдающимся советским физиком, академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе (1880–1960) и американским физиком-экспериментатором Робертом Милликеном (1868–1953, лауреат Нобелевской премии 1923 года).

Учёные наблюдали в микроскоп за движением микроскопических заряженных частичек (пылинок цинка в опытах Иоффе и капелек масла в опытах Милликена), взвешенных в воздухе между двумя горизонтальными металлическими пластинами, к которым было приложено электрическое поле:

• Подбирая напряжённость поля, исследователи уравновешивали силу тяжести частицы электрической силой, заставляя её неподвижно парить.
• Освещая пространство ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, они изменяли заряд частицы. При этом частица скачкообразно начинала двигаться вверх или вниз.
• Вычисления показали, что заряд пылинок всегда изменялся не плавно, а строго скачками, определёнными одинаковыми порциями.

Это фундаментальное свойство электрического заряда называется дискретностью (прерывностью):

• Дискретность электрического заряда — это свойство электрического заряда существовать только в виде целочисленных порций, кратных наименьшему элементарному заряду.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА И ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД

Носителем наименьшей неделимой порции отрицательного заряда в природе является элементарная частица — электрон (от греческого слова, означающего янтарь).

Электрон был экспериментально открыт в 1897 году выдающимся английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856–1940) при исследовании электрических разрядов в сильно разреженных газах (катодных лучей).

Основные характеристики электрона:

• Электрический заряд электрона: отрицателен и равен:

Частиц с зарядом меньшим, чем заряд электрона, в свободном состоянии в природе не существует.

• Масса покоя электрона: ничтожно мала по сравнению с массой любого атома:

Масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы самого лёгкого атома — атома водорода.

Модуль заряда электрона в физике принято называть элементарным электрическим зарядом и обозначать буквой e:

ДИСКРЕТНОСТЬ ЗАРЯДА И ФОРМУЛА КРАТНОСТИ

Поскольку любой макроскопический заряд возникает в результате избытка или недостатка определённого целого числа электронов, заряд любого тела ($q$) всегда равен целому числу элементарных зарядов:

где:

• q — суммарный электрический заряд тела (Кл);
• N — целое положительное число электронов ($N = 1, 2, 3, 4, \dots$);
• e — элементарный заряд ($1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл).

Знак «плюс» в формуле ставится тогда, когда на теле наблюдается недостаток электронов (электроны ушли на другое тело), а знак «минус» — когда на теле образовался избыток электронов.

Таким образом, электрический заряд не является непрерывной величиной: он квантован и складывается из дискретных неделимых кирпичиков — элементарных зарядов электронов и протонов.