[科普中国]-电子电荷

电荷的一个重要特性是它的“量子性”，即任何带电体的电荷只能是某一基本单位的整数倍。这个基本单位就是一个电子所带的电荷，叫做电子电荷。

简介

质子的电荷与电子电荷的绝对值相同，只不过质子的电荷是正的。近代物理从理论上预言有一种电量为±（1/3）e或±（2/3）e的基本粒子（称为层子或夸克）存在，并认为质子和中子等许多粒子都由层子组成，不过层子至二十一世纪初尚未直接为实验发现。

电子发现于1897年。当时J.J.汤姆生并没有能够直接测到电子电荷，后来用云雾法也只能确定其数量级，直到1909年密立根用油滴仪才得到精确结果。1929年，伯奇经过仔细研究，指出密立根用油滴仪得出的电子的电荷值e=（4.772±0.005）×10−10esu与贝克林（Backlin）用X射线对晶体布拉格衍射得到的电子电荷值e=（4.794±0.015）×10−10esu有系统偏差1。他虽然最后还是采纳了密立根的结果作为平差值，但同时指出，应继续改进这两种方法，以查明分歧的起因究竟在那里。

1931年有人发现，原来是密立根在计算油滴运动时用的粘滞系数不正确。这一数据是密立根的研究生用扭秤实验测得的，这个研究生忽略了悬筒两端的粘滞阻力和附在悬筒上的空气所造成的阻力对转动惯量的影响。如果考虑这些因素对粘滞系数作出修正，正好可以弥补两种方法之间的偏差。下表举出了历年来得出的电子电荷值。

电荷电荷是物质、原子或电子等所带的电的量。单位是库仑（记号为C）。

我们常将“带电粒子”称为电荷，但电荷本身并非“粒子”，只是我们常将它想像成粒子以方便描述。因此带电量多者我们称之为具有较多电荷，而电量的多寡决定了力场（库仑力）的大小。此外，根据电场作用力的方向性，电荷可分为正电荷与负电荷，电子则带有负电。

原理电荷的多少叫电荷量即物质、原子或电子等所带的电的量。单位是库仑（记号为C）简称库。

根据库仑定律，带有同种电荷的物体之间会互相排斥，带有异种电荷的物体之间会互相吸引。排斥或吸引的力与电荷的乘积成正比。

点电荷点电荷 是带电粒子的理想模型。真正的点电荷并不存在，只有当带电粒子之间的距离远大于粒子的尺寸，或是带电粒子的形状与大小对于相互作用力的影响足以忽略时，此带电体就能称为“点电荷”。物质的一种固有属性．电荷有两种：正电荷和负电荷．物体由于摩擦、加热、射线照射、化学变化等原因，失去部分电子时物体带正电，获得部分电子时物体带负电．带有多余正电荷或负电荷的物体叫做带电体，习惯上有时把带电体叫做电荷．

电荷间存在相互作用．静止电荷在周围空间产生静电场，运动电荷除产生电场外还产生磁场．因此静止或运动的电荷都会受到电场力作用，只有运动电荷才能受磁场力作用．

一个实际带电体能否看作点电荷，不仅与带电体本身有关，还取决于问题的性质和精度的要求。点电荷是建立基本规律时必要的抽象概念，也是把分析复杂问题时不可少的分析手段。例如，库仑定律、洛伦兹定律的建立，带电体的电场以及带电体之间相互作用的定量研究，试验电荷的引入等等，都应用了点电荷的观念。

粒子的电荷在粒子物理学中，许多粒子都带有电荷。电荷在粒子物理学中是一个相加性量子数，电荷守恒定律也适用于粒子，反应前粒子的电荷之和等于反应后粒子的电荷之和，这对于强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用都是严格成立的。

自然界中的电荷只有两种,即正电荷和负电荷。由丝绸摩擦的玻璃棒所带的电荷叫做正电荷,由毛皮摩擦的橡胶棒所带的电荷叫负电荷。 电荷的最基本的性质是:同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。物质的固有属性之一。琥珀经摩擦后能够吸引轻小物体的现象是物体带电的最早发现。继而发现雷击、感应、加热、照射等等都能使物体带电。电分正、负，同号排斥，异号吸引，正负结合，彼此中和，电可以转移，此增彼减，而总量不变。

构成物质的基本单元是原子，原子由电子和原子核构成，核又由质子和中子构成 ，电子带负电， 质子带正电，是正、负电荷的基本单元，中子不带电。所谓物体不带电就是电子数与质子数相等，物体带电则是这种平衡的破坏。在自然界中不存在脱离物质而单独存在的电荷 。 在一个孤立系统中，不管发生了什么变化，电子、质子的总数不变，只是组合方式或所在位置有所变化，因而电荷必定守恒。

为了说明电荷的特征，不妨与质量作一些类比。电荷有正、负之分，于是电力有排斥力和吸引力的区别，质量只有一种，其间总是相互吸引，正是这种区别，使电力可以屏蔽，引力则无从屏蔽。A.爱因斯坦描述了质量有随运动变化的相对论效应；而电子、质子以及一切带电体的电量都不因运动变化，电量是相对论性的不变量。电荷具有量子性，任何电荷都是电子电荷e的整数倍 ，e的精确值(1986年推荐值)为： e=1.60217733×10-19库质子与电子电量（绝对值）之差小于 10-20e，通常认为两者的绝对值完全相等。电子十分稳定 ，估计其寿命超过1010亿年，比迄今推测的宇宙年龄还要长得多。

分数电荷荷所谓分数电荷是指比电子电量小的电荷，如果存在，将动摇电子、质子作为电荷基元的地位，具有重要的理论意义。1964年，M.盖耳-曼提出强子由夸克组成的理论，预言夸克有多种，其电荷有、种。但尚没有关于分数电荷存在的该项目属于粒子物理理论研究领域。电荷共轭—宇称（CP）对称性涉及到空间和物质的基本对称性，一直是粒子物理研究的前沿领域。Cronin和Fitch因发现CP破坏而荣获诺贝尔奖。但他们发现的只是间接CP破坏，既可由弱作用引起，也可由超弱作用来解释。要区分它们，必须研究直接CP破坏。这不仅对探索自然界新的作用力和理论有着重要意义，而且对弄清CP破坏的起源起着关键性的作用。自1964年起物理学家一直致力于对直接CP破坏的研究。

探索了近四十年的直接CP破坏给出更精确和自洽的理论预言，得到欧洲核子中心NA48和美国费米实验室KTeV两个重要实验的证实。由此实验和理论首次确立了自然界中直接CP破坏的存在，成功地检验了标准模型的CP破坏机制,排除了超弱作用理论。该项目同时解释了困扰粒子物理学界近五十年的所谓ΔI=1/2规则。被国际同行公认为“北京组”工作,得到国际上实验和理论主要专家的认可和引用。该项目对CP对称性自发破缺的双黑格斯二重态模型（S2HDM）中一些重要的物理唯象进行系统研究，指出S2HDM可以成为CP破坏起源的一种新物理模型。在电荷-宇称对称性破坏和夸克-轻子味物理理论研究方面，吴岳良作为主要完成人在国际核心刊物上发表了几十篇论文，总引用率达1000余次。发表在美国《物理评论快报》（PRL）上的论文单篇引用达90余次。

电荷实验高压产生的电荷两种电荷学生实验：将学生分组。

实验器材有：

（1）、玻璃棒、橡胶棒各两根；

（2）、毛皮、绸子各两块；

（3）、支架；为了避免实验中电荷的流失，最好两名同学同时进行操作；

实验过程：

（1）、两位同学同时都用绸子摩擦玻璃棒，使它带电，将一根放在支座上，注意：要记住哪端带电，不要用手摸带电的一端，用另一根玻璃棒的带电端靠近这根玻璃棒的带电端，观察发生的现象

（2）、用毛皮摩擦橡胶棒，重做刚才的实验；

（3）、用绸子摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的橡胶棒，做刚才的实验。

实验总结：人们用各种各样的材料做了大量的实验，人们发现带电物体凡是跟绸子摩擦过的玻璃棒互相吸引的，必定跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相排斥；凡是跟毛皮摩擦过的橡胶棒互相吸引的，必定跟绸子摩擦过的玻璃棒互相排斥。就是说物体带的电荷要么跟绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷相同，要么跟毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷相同，没有第三种可能，自然界中只有这样两种电荷，美国科学家富兰克林对这两种电荷做出规定：绸子摩擦过的玻璃棒所带电荷叫做正电荷，毛皮摩擦过的橡胶棒所带电荷叫做负电荷。

1、电荷之间相互作用规律：同性相斥，异性相吸，大小用库仑定律来计算。

2、点电荷作用力为一对相互作用力，遵循牛顿第三定律。

3、库仑定律的适用条件：真空中静止点电荷间的相互作用力（均匀带电体间、均匀带电球壳间也可）。

电荷的历史1785年，库仑(C.A.Coulomb,1736-1806)以他的扭秤实验得出静电作用定律.人类从此对电磁现象进入了定量研究。

1820年，奥斯特(H.C.Oersted,1771-1851)发现电流的磁效应。

1820年，安培（A.M.Ampère,1775-1836）发现电流之间的互作用定律。

1831年，法拉第（M.Faraday,1791-1867）发现电磁感应定律。

1864年，麦克斯韦（J.C.Maxwell,1831-1879）在总结前人实验定律的基础上提出电磁场方程组，并从他的方程组预言电磁波的存在，进而指出光的电磁本质。

1887年，赫兹（H.Hertz,1857-1894）以实验证实了电磁波的存在,并对麦克斯韦方程组进行了整理和简化。

1895年，洛伦兹（H.A.Lorentz,1853-1928）发表“电子论”并给出电荷在电磁场中受力的公式.至此,经典电磁理论的基础已经确立。

1897年，汤姆逊（J.J.Thomson，1856-1940）在阴极射线管中发现了电子(e-)，这是人类历史上发现的第一个基本粒子。物理学家们陆续发现了一大批带电的或电中性的粒子，其中包括质子(p)、正电子(e+)和中子(n)。

电荷的发现

纳米发出电荷1897 J.J.Thomson 在阴极射线实验中发现了电子，这是人类发现的第一个基本粒子,1905-1913年, R.A. Millikan 多次以“油滴”实验测量了电子的电荷质量比。

1911 E.Rutherford 跟据 a粒子碰撞金属箔的散射实验，提出原子的有核模型；1920年，又猜测原子核内除存在带正电的“质子”外，还应当含有一种中性粒子。

1930 A.M.Dirac 将相对论引进量子力学，提出相对论电子理论,预言存在电子的反粒子——正电子（同时预言存在磁单极） 。

1932 C.D.Anderson 在宇宙线中发现正电子，证实了Dirac 的预言J.Chadwick 发现中子，证实了Rutherford 的猜测W.K.Heisenborg 和伊万年科各自建立原子核由质子和中子组成的假说 。

1935汤川秀树（H.Yukawa）提出强作用的介子理论；1950年C.F.Powell 在宇宙线中发现 p介子 。

1937 C.D.Anderson 在宇宙线中发现 m子 。

1947-- 陆续在宇宙线和加速器中先后发现了一批奇异粒子：L超子、K介子、X超子、W- 超子 1955 O.Chamberlain和 E. G. Segre在加速器中发现反质子。

1964 M.Gell-Mann和 G.Zweig 提出强子结构的夸克模型自1980年代起在加速器的电子—质子碰撞实验中，先后发现了理论预言的3色 6味、以束缚态存在的夸克和反夸克（最重的t夸克直到 1995年才被发现）。

1964 一组科学家在欧洲核子中心（CERN）的加速器中发现反质子和反中子组成的反氘核 。

1983 C.Rubbia等在欧洲核子中心发现电弱统一理论预言的 W±和 Z0粒子。

在各种带电微粒中，电子电荷量的大小是最小的。人们把最小电荷叫做元电荷，常用符号e表示。

e= 1.60217662 × 10-19 C

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所