شحنة أولية
الشحنة الأساسية (بالإنجليزية: elementary charge) وترمز e[١] وهي شحنة كهربائية يحملها بروتون مفرد أو ما يشابهه، أما الشحنة السالبة فيحملها الكترون مفرد. وهو ثابت فيزيائي جوهري. ولتجنب الارتباك في الرمز، فإن e تسمى أحيانا "شحنة أساسية موجبة". ولديه قيمة تعادل ١.602176487(40)×10−١٩ كولوم تقريبا[٢] في نظام وحدات سنتيمتر-جرام-ثانية، وتعادل ٤.80320427(12)×10−١٠ statcoulombs.[٣]. في نظام الوحدات الذرية وغيرها من الوحدات الطبيعية، لذا فإن خاصية e هي وحدة قياس للشحنة الكهربائية، بمعنى e = وحدة نظام واحدة.
تم قياس مقدار الشحنة الأساسية لأول مرة بواسطة روبرت ميليكان في تجربة إسقاط الزيت سنة 1909
تعرف تكمية الشحنة (بالإنجليزية: Charge quantization) بأنها بيان حالة لجسم ما يكون مستقر وحر (المقصود بجسم ما أن بإمكانه الظهور بشكل حر لفترة طويلة من الزمن) ولديه شحنة تكون من مضاعفات العدد الصحيح للشحنة الأولية e: وتكون الشحنة 0 أو e أو –e ومضاعفاته من 2e أو 3e إلى آخره. ولكن لن يكون 1⁄2 e, أو –3.8e. تفسير تلك الحالة يجب أن لا يشمل الكواركات أو أشباه الجسيمات، إذ لاتملك الكواركات ولا أشباه الجسيمات القدرة على البقاء من تلقاء نفسها لفترة طويلة من الزمن. أيضا شحنة الكواركات تكون من المضاعفات الصحيحة ل1⁄3 e.
وهذا هو سبب تسمية المصطلح "شحنة أولية": وهو يعني ضمنا أنها وحدة غير قابلة للانقسام.
شحنات أقل من الشحنة الأولية
استثنيت حالتان من شحنات أولية غير قابلة للانقسام: الكواركات وأشباه الجسيمات
- الكوارك، بدأ الافتراض بوجوده في ستينات من القرن الماضي ولديه شحنة مكمية، ولكن شحنته مكمية إلى مضاعفات 1⁄3 e. إذ لايمكن رؤية الكوارك كجسيم مفرد; فهو يظهر على شكل تجمعات، والتجمعات المستقرة من الكواركات (مثل البروتون التي تحتوي على ثلاث كواركات) لديها شحنات تكون من المضاعفات الصحيحة ل e. لهذا السبب فإن e أو 1⁄3 e له ما يبرره بأن يكون "كمية الشحنة" ذلك تبعا للسياق.
- أشباه الجسيمات ليست جسيمات، إنما هي كيان طارئ داخل نظام مادة معقد تتصرف وكأنها جسيمات. في سنة 1982 فسر روبرت لافلين نظرية تأثير هول الكمي الكسري بافتراض وجود أشباه جسيمات ذات شحنة كسرية. وقوبلت تلك النظرية على نطاق واسع بالترحاب، حيث أنها لا تعتبر انتهاكا لأساسيات تكمية الشحنة، لأن أشباه الجسيمات لم تكن يوما ما جسيمات أولية
ماهي كمية الشحنة؟
جميع الجسيمات الأولية -ومنها الكواركات- لديها شحنة تكون من المضاعفات الصحيحة ل1⁄3e. لذا يمكن للمرء أن يقول بأن "كمية الشحنة" هي 1⁄3e في تلك الحالة، يمكن القول أيضا بأن "الشحنة الأولية" هي أكبر بثلاث مرات من "كمية الشحنة".
من جانب آخر، فإن جميع الجسيمات القابلة للعزل لديها شحنات تكون من المضاعفات الصحيحة لe. (لا يمكن عزل الكواركات، إلا في مركبات مثل البروتونات التي لديها شحنة إجمالية هي من المضاعفات الصحيحة لe.) لذا يمكن للمرء القول بأن "كمية الشحنة" هي e، إن لم يكن فيها كواركات. هنا تكون "الشحنة الأولية" رديفة ل"كمية الشحنة".
في الواقع إنه يتم استخدام كلا المصطلحين[٤]. لهذا السبب فإن عبارة "كمية الشحنة" أو "الوحدة غير القابلة للانقسام للشحنة" تكون غامضة نوعا ما، إلا إذا وردت معطيات أخرى. من جانب آخر، فإن مصطلح "الشحنة الأولية" ليس بالغامض: حيث أنه يشار بشكل عالمي إلى شحنة البروتون.
القياسات التجريبية للشحنة الأولية
بطريقة ثابت أفوجادرو وثابت فاراداي
إذا كانا كل من ثابتي أفوجادرو NA وفاراداي F معروفان على حدة، فبالإمكان استخلاص قيمة الشحنة الأولية، وذلك باستخدام المعادلة التالية:
- (بمعنى آخر، شحنة المول من الإلكترونات مقسمة على عدد الإلكترونات في المول تساوي شحنة الإلكترون الواحد.)
لكن عمليا، تلك الطريقة ليست الأكثر دقة لقياس القيم في الوقت الحالي. فبدلا من حساب e من F وNA، فإن NA تحسب من F وe، بينما تقاس e بشكل منفرد بطريقة أخرى[٥]. مع ذلك تبقى تلك المعادلة منطقية ومقبولة ودقيقة نوعا ما.
التجارب المنهجية مشروحة بالأسفل:
قياس ثابت فاراداي
- طالع أيضاً: ثابت فاراداي
يمكن قياس قيمة F مباشرة باستخدام قوانين فرداي للتحليل الكهربائي. فتلك القوانين هي علاقات كمية على أساس الأبحاث الكهروكيميائية التي نشرها مايكل فاراداي سنة 1834[٦]. في تجربة التحليل الكهربائي، هناك تطابق واحد إلى واحد بين الإلكترونات المارة خلال انبوب أنود إلى الكاثود والأيونات التي على اللوحة أو الخارجة من الكاثود أو الأنود. فيقاس اختلاف الكتلة للأنود أو الكاثود، والشحنة الكلية خلال الإنبوب (والتي يمكن قياسها كزمن صحيح للتيار الكهربائي) ويؤخذ بالاعتبار الكتلة المولية للأيون، فنستنبط F من إحداهما[٥].
قياس ثابت أفوجادرو
- طالع أيضاً: ثابت أفوجادرو
أول من قرب من قيمة ثابت أفوجادرو NA كان يوهان جوزيف لوشميدت في سنة 1865، والذي قدر متوسط قطر من الجزيئات في الهواء بطريقة مساوية لحساب عدد الجسيمات لحجم معطي من الغاز[٧].
حاليا، يمكن قياس قيمة NA بشكل دقيق جدا وذلك عن طريق كريستال نقي جدا (عادة يكون السيليكون)، ويقيس مدى تباعد حيز الذرات عن بعضها بواسطة استخدام حيود الأشعة السينية ويقيس بدقة كثافة الكريستال. بواسطة تلك المعلومات، بإمكان المرء أن يستنبط الوزن (بالغرام) للذرة المفردة; وبما أن الكتلة المولية معطاة، إذن فيمكن حساب عدد ذرات المول الواحد[٥].
تجربة قطرة الزيت
- طالع أيضاً: تجربة قطرة الزيت
تجربة ميليكان لقطرة الزيت هي من أشهر الطرق لقياس شحنة e. وذلك بتحريك نقطة صغيرة من الزيت في مجال كهربائي بمعدل يوازن قوى الجاذبية، واللزوجة (عند مروره خلال الهواء)، والقوة الكهربائية. يمكن حساب تلك القوى خلال الجاذبية واللزوجة حسب كمية وسرعة قطرة الزيت، فمنها يمكن استنباط القوة الكهربائية. بما أن القوة الكهربائية هي نتاج الشحنة الكهربائية ومجال كهربي معطى، فيمكن حساب الشحنة الكهربائية لقطرة الزيت بدقة تامة. نجد عند قياس الشحنة لقطرات زيت مختلفة، أن الشحنات كلها هي مضاعفات صحيحة لشحنة صغيرة مفردة تسمى الشحنة الأولية e.
الضوضاء القذفية
- طالع أيضاً: ضوضاء قذفية
أي تيار كهربائي سيقترن مع ضوضاء آتية من مصادر متعددة. إحدى تلك المصادر هي ضوضاء قذفية، ويعود ذلك إلى أن مسألة تدفق التيار ليس بالتدفق المستمر السلس، بل يحتوي على الكترونات متناثرة وغير مترابطة تمر في وقت واحد. وبتحليل دقيق للضوضاء، فإنه يمكن حساب شحنة الإلكترون. تلك الطريقة تعطي قيمة الشحنة e دقيقة بنسبة بسيطة[٨].
ثابتي جوزيفسون وفون كليتزنج
تعتبر أكثر الطرق دقة لقياس الشحنة الأولية بالوقت الحالي هي عن طريق استنتاجها من قياس تأثيرين في ميكانيكا الكم وهما: تأثير جوزيفسون، وهو تذبذب التيار الكهربائي الذي ينشأ في بنية موصلية فائقة; وتأثير هول الكمي، وهو تأثير كمي للإلكترونات في درجات حرارة منخفضة ومجال مغناطيسي عال ويحجز بين بعدين[٩].
ثابت جوزيفسون هو:
- (حيث أن h هو ثابت بلانك). ويمكن قياسها مباشرة باستخدام تأثير جوزيفسون.
ثابت فون كليتزنج هو
ويمكن قياسها مباشرة باستخدام تأثير هول الكمي.
يمكن استنباط الشحنة الأولية من الثابتين وذلك بالمعادلة:
- .
مصادر
- Fundamentals of Physics, 7th Ed., Halliday, Robert Resnick, and Jearl Walker. Wiley, 2005
- ^ ملحوظة: هذا الرمز e له معاني عديدة. أغلبها بالفيزياء، وترمز أحيانا بالشحنة الكهربية، بمعنى سالب الشحنة الكهربية.
- ^ CODATA value for e
- ^ This is derived from the NIST value and uncertainty, using the fact that one coulomb is exactly ٢٬٩٩٧٬٩٢٤٬٥٨٠ statcoulombs. (The conversion is ten times the numerical speed of light in meters/second.)
- ^ Q is for Quantum, by John R. Gribbin, Mary Gribbin, Jonathan Gribbin, page 296, Web link
- ^ أ ب ت CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006 from CODATA.
- ^ Ehl, Rosemary Gene; Ihde, Aaron (1954). "Faraday's Electrochemical Laws and the Determination of Equivalent Weights". Journal of Chemical Education 31 (May): 226–232.
- ^ Loschmidt, J. (1865). "Zur Grösse der Luftmoleküle". Sitzungsberichte der kaiserlichen Akademie der Wissenschaften Wien 52 (2): 395–413. English translation.
- ^ [١]
- ^ See CODATA 2006. Note that the relative standard uncertainty of e is the same as the uncertainty of the Josephson constant (p95), which in turn agrees with the experimental uncertainty on the Josephson constant (equation (290), page 45).
br:Karg elfennel ca:Càrrega elèctrica elemental cs:Elementární náboj de:Elementarladung Elementary charge]] eo:Elementa elektra ŝargo es:Carga eléctrica#Carga eléctrica elemental et:Elementaarlaeng fa:بار الکترون fi:Alkeisvaraus fr:Charge élémentaire hr:Elementarni naboj hu:Elemi töltés id:Muatan listrik partikel it:Carica elementare ja:電気素量 ka:ელემენტარული მუხტი ko:기본 전하 lb:Elementarluedung lt:Elementarusis krūvis nl:Elementaire lading no:Elementærladning pl:Ładunek elektryczny elementarny pt:Carga do elétron ru:Элементарный электрический заряд sh:Elementarni naboj si:මූලික ආරෝපණය sk:Elementárny náboj sl:Osnovni naboj sr:Количина елементарног наелектрисања su:Muatan listrik partikel sv:Elementarladdning tr:Temel yük uk:Елементарний електричний заряд ur:بنیادی بار zh:基本电荷
