Источник электромагнитного поля – электрический заряд – изначально измерялся и понимался как величина непрерывная. Казалось бы, ничто не мешает этой величине принимать сколь угодно малые значения. Даже атомистические представления никак не могут помешать этому. Какой угодно электрический заряд мог бы быть размазан по всему объему элементарной частицы. Конкретные исследования этого вопроса опровергли подобную точку зрения. Экспериментально выяснилось, что электрический заряд квантуется небольшими порциями, меньше которых в природе не наблюдается.
Элементарный электрический заряд
Элементарный электрический заряд – минимально встречающаяся в природе порция электричества, соответствующая заряду особой частицы-носителя – электрона.
К сожалению, внутренняя природа электричества остается загадкой и поныне. Закону сохранения электрического заряда соответствует одна из симметрий законов природы – принцип калибровочной инвариантности. Сам по себе закон сохранения заряда не является основанием для квантовки заряда, но, будучи квантованным, заряд почти наверняка будет сохраняться. Носителем минимального заряда является не только электрон. Такое же значение заряда, только с противоположным знаком, наблюдается и у другой элементарной частицы – у позитрона. В системе СИ размер элементарного заряда равен приблизительно 1,602 176 6208(98)·10−19 кулона.
Экспериментальная проверка данного факта была выполнена Милликеном в 1910 году, за что последний получил Нобелевскую премию. Другие эксперименты по проверке квантования заряда были проведены Шотки. Намек на это же явление можно обнаружить в опытах Фарадея по электролизу. Современная физика элементарных частиц позволяет наблюдать следы электронов непосредственно. Мы рассмотрим опыт Милликена подробнее, так как он представляет собой замечательное подтверждение мастерства экспериментаторов и элегантности физического эксперимента.
Опыт Милликена
Простота опыта, осуществленного Милликеном и Флетчером, поражает. Остается только удивляться тому, что аналогичный эксперимент не был выполнен раньше. В пространство между пластинами конденсатора вводились микроскопические капельки заряженного электричеством масла. На конденсатор подавался заряд, достаточный чтобы уравновесить силу тяжести и силу Архимеда. В этом случае масляные капельки начинали равномерно всплывать вверх в камеру с кожухом. Условие такого всплытия определялось следующим выражением:
где η – вязкость воздуха, ρ — его плотность v – скорость подъема капли, v0 – скорость падения той же капли в отсутствии поля.