§ 30. Делимость электрического заряда. Электрон

физическое свойство электрического заряда макроскопического тела разделяться на отдельные части при контакте с другими проводящими телами.

• 1. Лабораторный опыт — при соединении металлической перемычкой заряженного электрометра с точно таким же незаряженным электрометром исходный заряд делится ровно пополам; при повторении операции с нейтральным прибором остаётся $\frac{1}{4}$, затем $\frac{1}{8}$ и так далее.

объективное свойство материального мира, заключающееся в том, что электрический заряд не является непрерывным, а существует в виде неделимых порций (квантов). Меньше этой порции электрического заряда в свободном состоянии в природе не существует.

наименьший неделимый электрический заряд в природе, присущий фундаментальным элементарным частицам:

• 1. Численное значение в СИ — $e \approx 1,602 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$.
• 2. Закон квантования заряда — электрический заряд любого макроскопического или микроскопического тела всегда строго кратен элементарному заряду: $q = \pm N \cdot e$, где $N = 1, 2, 3, \dots$ — целое число элементарных зарядов.
• 3. Экспериментальное измерение — величина элементарного заряда была впервые с высокой точностью измерена независимо советским академиком Абрамом Фёдоровичем Иоффе и американским физиком Робертом Милликеном в 1910–1911 гг.

стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, являющаяся фундаментальной составной частью всех атомов вещества и универсальным носителем элементарного отрицательного заряда.

• 1. История открытия — открыт английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 г. при исследовании катодных лучей в газоразрядных трубках.
• 2. Электрический заряд электрона — равен по модулю элементарному заряду и отрицателен: $q_e = -e = -1,6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$. Отделить заряд от электрона невозможно: заряд — это неотъемлемое свойство самой частицы.
• 3. Масса покоя электрона — ничтожно мала и составляет $m_e \approx 9,1 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$, что примерно в $1836$ раз меньше массы самого лёгкого атома (атома водорода).

Милликена — классический фундаментальный эксперимент по доказательству дискретности заряда: в электрическое поле плоского конденсатора вводились микроскопические заряженные капельки масла (Милликен) или цинковые пылинки (Иоффе). Балансируя силу тяжести силой электрического поля ($m g = q E$), учёные изменяли заряд пылинок рентгеновским облучением и доказали, что изменение заряда всегда кратно строго одной и той же минимальной величине — заряду электрона.

Выдающийся советский физик, академик, «отец советской физики» и организатор науки, экспериментально доказавший предел делимости и дискретность электрического заряда.

• В 1910–1911 годах провёл серию прецизионных опытов с заряженными цинковыми пылинками в электрическом поле, доказав скачкообразный характер изменения их заряда.
• Уравновешивал силу тяжести пылинок электрической силой плоского конденсатора и под действием ультрафиолетового света наблюдал изменение заряда строго кратными неделимыми порциями.
• Основал Физико-технический институт в Петрограде и воспитал плеяду выдающихся советских физиков и нобелевских лауреатов.

Американский физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии, опытным путём доказавший существование элементарного электрического заряда и с высокой точностью измеривший заряд электрона.

• В 1909–1911 годах разработал знаменитый метод взвешенной капли масла в электрическом поле плоского конденсатора для измерения наименьших зарядов.
• Обнаружил, что заряд каждой микрокапли всегда равен целому числу фундаментальных неделимых порций, и вычислил модуль элементарного заряда e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.
• В 1923 году был удостоен Нобелевской премии по физике за экспериментальное измерение элементарного электрического заряда и работы по фотоэффекту.

Выдающийся английский физик, лауреат Нобелевской премии, первооткрыватель электрона и создатель первой модели строения атома, заложивший основы физики элементарных частиц.

• В 1897 году экспериментально открыл первую элементарную частицу — электрон — при исследовании катодных лучей в глубоком газовом вакууме.
• Доказал материальную природу катодных лучей и определил удельный заряд электрона, показав, что его масса во много сотен раз меньше массы атома водорода.
• В 1906 году получил Нобелевскую премию по физике за фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования проводимости электричества газами.

Опыт с двумя одинаковыми электрометрами:

• Берём два одинаковых по размерам и конструкции электрометра. Одному из них сообщаем электрический заряд (стрелка отклоняется на некоторый угол), а второй оставляем незаряженным (стрелка на нуле).
• Берём проводящий металлический стержень на изолирующей стеклянной или эбонитовой ручке и соединяем им шары обоих электрометров.
• Мы наблюдаем, что часть заряда с первого прибора переходит на второй, и стрелки обоих электрометров устанавливаются на одинаковом делении, соответствующем ровно половине первоначального заряда.
• Разрядив один из приборов прикосновением руки и вновь соединив их, мы получим на каждом приборе четверть первоначального заряда ($\frac{1}{4}$). Этот опыт наглядно показывает, что заряд делится на части при контакте проводников.

Да, электрический заряд имеет предел делимости.

Многократное деление заряда не может продолжаться бесконечно. Существует наименьший, неделимый предел — элементарный электрический заряд, равный по модулю заряду электрона: $e \approx 1,6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$. Зарядов меньше этого значения в свободном состоянии в природе не существует, а заряд любого тела меняется только дискретными порциями, кратными $e$.

Электрон — это элементарная частица, являющаяся универсальной составной частью всех атомов вещества и носителем наименьшего неделимого отрицательного электрического заряда.

• Заряд электрона: отрицательный, равен по величине элементарному заряду: $q_e = -e = -1,6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$. Частиц с меньшим по модулю свободным зарядом в природе не существует. Заряд электрона невозможно «стереть» или «уменьшить» — это фундаментальное неотъемлемое свойство электрона.
• Масса электрона: составляет $m_e \approx 9,1 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$. Она ничтожно мала даже по атомным меркам: масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона (ядра атома водорода).

Шарль Кулон использовал фундаментальный закон симметрии и деления заряда проводников при соприкосновении:

• 1) Деление заряда пополам: Кулон взял одинаковые металлические проводящие шарики. Если заряженный шарик с неизвестным зарядом $q$ привести в соприкосновение с точно таким же незаряженным изолированным шариком, то в силу полной геометрической и физической симметрии заряд разделится строго поровну: на каждом шарике останется ровно половина исходного заряда: $\frac{q}{2}$.
• 2) Получение долей заряда: повторив соприкосновение с нейтральным шариком, Кулон получал заряды $\frac{q}{4}$, $\frac{q}{8}$ и так далее.
• 3) Измерение силы: с помощью сверхчувствительных крутильных весов Кулон измерял силу взаимодействия шариков на фиксированном расстоянии $r$. Уменьшая заряд одного из шариков в 2 раза, он обнаружил, что сила взаимодействия уменьшается ровно в 2 раза; уменьшая заряды обоих шариков в 2 раза каждый, он зафиксировал уменьшение силы в 4 раза.

Так, не зная абсолютного значения заряда в кулонах, Кулон строго доказал, что сила пропорциональна произведению зарядов ($F \sim q_1 \cdot q_2$).