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科学 / elementary-charge

元电荷

元电荷是电子所带电荷的绝对值，也是国际单位制中具有精确数值的定义常数。

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元电荷通常记作 ee，是一个基本物理常数，表示电子所带电荷的绝对值。电子的电荷为 −e-e，而质子的电荷为 +e+e。元电荷本身为正值。在国际单位制（SI）中，其数值精确等于 1.602 176 634×10−191.602\,176\,634\times10^{-19} 库仑。它将微观电现象与宏观测量联系起来，并为安培的定义提供了基础。(nist.gov)

数值、单位与正负号

定义元电荷数值的关系式为

e=1.602 176 634×10−19 C,e=1.602\,176\,634\times10^{-19}\ \mathrm{C},

其中 C 表示库仑，即电荷的国际单位制单位。由于这一数值由定义固定，因此没有测量不确定度。这并不意味着测量电荷或复现电学单位的实验没有不确定度，而是说，单位制为这一常数赋予了精确的数值。(physics.nist.gov)

必须区分 ee 与带有正负号的电子电荷。“电子电荷”等说法有时指其绝对值，但电子实际带负电。电荷常以 ee 为单位表示：在这样的表格中，数值 +1+1 表示 +e+e，而不是一库仑。一库仑约相当于 6.2415×10186.2415\times10^{18} 个元电荷，体现了微观电荷尺度与日常电荷尺度之间的巨大差异。(nist.gov)

电荷量子化与粒子结构

对于净电荷由获得或失去电子而产生的普通物体，其电荷量是 ee 的整数倍：

Q=ne,n∈Z.Q=ne,\qquad n\in\mathbb Z.

移去一个电子，物体的电荷量就增加 ee；加入一个电子，电荷量则减少 ee。密立根对单个带电液滴的观测，为电荷的这种离散结构提供了直接的实验证据：不同液滴的电荷量及其电荷量的变化，都符合以同一个基本电荷量为增量的规律。(nobelprize.org)

“元”并不意味着构成物质的每一种粒子都只能带有 00 或 ±e\pm e 的电荷。在标准模型中，夸克带有分数电荷：上夸克、粲夸克和顶夸克的电荷为 +2e/3+2e/3，下夸克、奇夸克和底夸克的电荷为 −e/3-e/3。它们的反粒子带有符号相反的电荷。夸克受到色禁闭的约束，尚未被观测到以自由、孤立的粒子形式存在；它们组成复合粒子，即强子。(opendata.cern.ch)

质子由两个上夸克和一个下夸克组成，总电荷为 +e+e。中子由一个上夸克和两个下夸克组成，净电荷为零。包括电子在内的带电轻子携带 −e-e 的电荷，而它们的反粒子携带 +e+e 的电荷。因此，正电子是电子对应的带正电反粒子。这些粒子的电荷表明，元电荷是约定的电荷基准值，并非适用于所有组成粒子的普遍最小电荷。(hst-archive.web.cern.ch)

实验测定

在元电荷的数值被纳入国际单位制定义之前，它是通过实验测定的。罗伯特·A. 密立根的油滴实验研究了在带电极板之间运动的微小带电液滴。通过液滴在重力和电场作用下的运动，可以推算出其电荷量。对同一液滴在电荷量改变后的测量，尤其有助于确定共同的基本电荷增量。(nobelprize.org)

分析时需要考虑液滴的质量、浮力以及在空气中运动所受的阻力。通过测量液滴的下降和上升速度，可以将其力学行为与作用于它的电场力联系起来。测定空气黏度，并针对极小液滴修正阻力定律，是获得准确结果的关键环节，而不能仅仅停留在观察电荷量呈阶梯式变化这一点上。(nobelprize.org)

密立根因在元电荷和光电效应方面的研究，获得了1923年诺贝尔物理学奖。他的诺贝尔演讲既介绍了实验装置与安排，也阐述了证明电荷具有离散性的证据。(nobelprize.org)

在国际单位制中的作用

2019年5月20日生效的修订版国际单位制，将 ee 列为七个定义常数之一。安培的定义通过固定以库仑为单位表示的元电荷数值来确立，其中

1 C=1 A s.1\ \mathrm{C}=1\ \mathrm{A\,s}.

因此，一安培的电流对应于每秒约 6.2415×10186.2415\times10^{18} 个元电荷的净转移量。这一定义为电学测量确立了基准，但并未规定必须使用某一种仪器或实验技术。(nist.gov)

一种单位复现方法是使用以受控频率逐个转移电子的器件。理想情况下，每个周期转移一个电子，就会产生大小为 I=efI=ef 的电流，其中 ff 为周期频率。漏转移、多转移以及其他实际缺陷都会引入不确定度。这类器件将宏观电流单位与离散的电荷输运直接联系起来。(nist.gov)

相关常数与电学标准

电子伏特将电荷与能量联系起来。它是电子通过一伏特的电势差时所获得的能量：

1 eV=1.602 176 634×10−19 J.1\ \mathrm{eV}=1.602\,176\,634\times10^{-19}\ \mathrm{J}.

因此，电子伏特是能量单位，而不是电荷单位。(wwwcompass.cern.ch)

在精密计量学中，ee 与普朗克常数 hh 共同发挥作用。约瑟夫森效应给出了关系式 KJ=2e/hK_J=2e/h，这是量子电压标准的基础；量子霍尔效应则给出了电阻尺度 RK=h/e2R_K=h/e^2。由于 ee 和 hh 在国际单位制中均具有精确数值，这些组合常数也具有精确数值，但实际复现的标准仍存在实验不确定度。因此，量子电学标准在微观物理与电压、电阻和电流的测量之间建立了可重复的联系。(nist.gov)