Elementární náboj

Rozbalit box

Obsah boxu

Elementární náboj, značený symbolem e, je základní fyzikální konstanta, která představuje nejmenší možný, nedělitelný kvantový náboj, který může nést volně existující částice. Jedná se o absolutní hodnotu elektrického náboje jednoho protonu nebo, ekvivalentně, jednoho elektronu. Všechny pozorovatelné volné částice mají elektrický náboj, který je celočíselným násobkem této hodnoty. Tento princip se nazývá kvantování náboje.

Od 20. května 2019, v rámci redefinice základních jednotek SI, je hodnota elementárního náboje definována jako přesná:

e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C

Tato konstanta je jedním ze základních pilířů elektromagnetismu a částicové fyziky a hraje klíčovou roli v popisu interakcí na atomární a subatomární úrovni.

📜 Historie objevu

Myšlenka, že elektrický náboj existuje v diskrétních jednotkách, se objevila již v 19. století.

🧪 První náznaky

První experimentální důkazy pocházely z práce anglického chemika a fyzika Michaela Faradaye na poli elektrolýzy ve 30. letech 19. století. Faraday zjistil, že množství látky vyloučené na elektrodě je přímo úměrné celkovému elektrickému náboji, který prošel elektrolytem. To naznačovalo, že elektřina je přenášena v určitých "balíčcích". V roce 1891 irský fyzik George Johnstone Stoney navrhl pro tuto základní jednotku elektrického náboje název "elektron".

Definitivní potvrzení a přesné změření hodnoty elementárního náboje však přišlo až na začátku 20. století. Po objevu elektronu J. J. Thomsonem v roce 1897 bylo možné změřit poměr jeho náboje k hmotnosti (e/m), ale ne samotný náboj.

🔬 Millikanův experiment

Průlom přišel v roce 1909 díky americkému fyzikovi Robertu Millikanovi a jeho studentovi Harveymu Fletcherovi. Provedli slavný experiment s olejovými kapkami.

Princip experimentu spočíval v pozorování malých, elektricky nabitých kapiček oleje, které se vznášely v elektrickém poli mezi dvěma kondenzátorovými deskami. Pečlivým vyvažováním gravitační síly (která táhla kapky dolů) a elektrické síly (která působila nahoru) bylo možné určit celkový náboj každé kapky.

Millikan a Fletcher zjistili, že náboj kapek nebyl nikdy libovolný, ale vždy se jednalo o celočíselný násobek určité minimální hodnoty. Tuto hodnotu identifikovali jako elementární náboj e. Jejich měření prokázala, že elektrický náboj je kvantovaný. Za tuto práci obdržel Robert Millikan v roce 1923 Nobelovu cenu za fyziku.

⚛️ Vlastnosti a význam

Elementární náboj je klíčový pro pochopení struktury hmoty a jejích interakcí.

🔢 Kvantování náboje

Princip kvantování náboje je jedním z nejdůležitějších zákonů přírody. Uvádí, že jakýkoli makroskopický či mikroskopický objekt může mít pouze elektrický náboj, který je roven Q = n ⋅ e, kde n je celé číslo (..., -2, -1, 0, 1, 2, ...).

• Elektron má náboj -e.
• Proton má náboj +e.
• Neutron má náboj 0.
• Atomové jádro helia (alfa částice) má náboj +2e.

Existence tohoto základního "stavebního kamene" náboje je důvodem, proč je elektrický proud v kovech tokem obrovského množství jednotlivých elektronů.

quarks a zlomkové náboje

Standardní model částicové fyziky sice zavedl částice se zlomkovým nábojem, tzv. kvarky, ale to není v rozporu s principem kvantování pro volné částice.

• Kvark up (u) má náboj +⅔ e.
• Kvark down (d) má náboj -⅓ e.

Tyto kvarky však nikdy neexistují samostatně. Jsou vždy vázány uvnitř větších částic, tzv. hadronů (jako jsou protony a neutrony), a to procesem zvaným barevné uvěznění (color confinement). Kombinace kvarků v hadronech vždy vede k celočíselnému násobku e:

• Proton se skládá ze dvou kvarků 'up' a jednoho 'down' (uud). Jeho celkový náboj je: (+⅔ +⅔ -⅓)e = +1e.
• Neutron se skládá z jednoho kvarku 'up' a dvou 'down' (udd). Jeho celkový náboj je: (+⅔ -⅓ -⅓)e = 0e.

Zlomkové náboje kvarků tak nejsou pozorovány u volných částic a princip kvantování náboje pro izolované objekty zůstává v platnosti.

🔗 Vztah k jiným konstantám

Elementární náboj je součástí definice dalších významných fyzikálních konstant. Nejdůležitější je konstanta jemné struktury (α), bezrozměrná konstanta, která charakterizuje sílu elektromagnetické interakce:

$\alpha =\frac{e^2}{4\pi {\epsilon }_0\hslash c}$

kde ${\epsilon }_0$ je permitivita vakua, $\hslash$ je redukovaná Planckova konstanta a $c$ je rychlost světla ve vakuu.

⚙️ Definice v soustavě SI

Před 20. květnem 2019 byla základní jednotkou soustavy SI pro elektrický proud ampér, který byl definován na základě síly působící mezi dvěma vodiči. Hodnota elementárního náboje byla v té době experimentálně měřená veličina s určitou nejistotou.

V roce 2019 došlo k zásadní redefinici základních jednotek SI. Nově je hodnota elementárního náboje e (spolu s dalšími konstantami jako Planckova konstanta) definována jako přesná, pevně daná hodnota bez jakékoli nejistoty. Na základě této fixní hodnoty e je nyní odvozen coulomb (C) a následně i ampér (A), který je definován jako tok náboje 1 C za sekundu. Tím se zpřesnila a zjednodušila celá soustava jednotek v oblasti elektřiny a magnetismu.

💡 Pro laiky

Představte si, že elektrický náboj je jako voda. Dlouho si lidé mysleli, že vodu můžete dělit na stále menší a menší kousky donekonečna. Pak ale vědci zjistili, že existuje nejmenší možná "kapička" vody – molekula H₂O. Menší už to nejde, aniž by to přestala být voda.

Elementární náboj je přesně taková nejmenší "kapička" elektřiny.

• Vše, co má elektrický náboj (od baterie ve vašem telefonu po blesk na obloze), je složeno z obrovského množství těchto miniaturních, nedělitelných "kapiček".
• Můžete mít jednu kapičku, dvě, pět, nebo třeba miliardu, ale nikdy nemůžete mít jednu a půl kapičky.
• Elektron nese jednu zápornou "kapičku" (-1e) a proton v jádře atomu nese jednu kladnou "kapičku" (+1e).
• I když dnes víme, že protony jsou složeny z ještě menších částic (kvarků), které mají zlomkové náboje (např. ⅔ kapičky), tyto kvarky jsou v protonech "uvězněny" a nikdy je nevidíme volně poletovat. Na venek se tak vše chová, jako by existovaly jen celé "kapičky".

Šablona:Aktualizováno