2.17. Квантование электрического заряда
Заканчивая тему, посвящённую электрическим полям, вернёмся к вопросу о природе источника этих полей — электрического заряда. В разделе 1.2 (см. Введение) была упомянута проблема квантуемости электрического заряда, которая была решена экспериментом в начале ХХ века.
В середине его, в шестидесятые годы, в связи с одной из гипотез в области элементарных частиц, вопрос о величине и существовании минимальной порции электричества вновь привлёк к себе внимание физиков всего мира. Опыты по её определению повторялись многократно в глубоких шахтах, высоко в атмосфере, на дне моря. Остановимся поэтому более подробно на сути этих опытов, осуществлённых впервые в 1911 году Р. Милликеном в Англии и А.Ф. Иоффе в России.
Заряд любой мелкой частицы легко определить, поместив ее в поле плоского конденсатора и уравновесив электрическим полем действующую на неё силу тяжести (рис. 2.25а). Если частица при этом находится в некоторой среде, то на неё будет действовать также сила Архимеда FA. При равновесии векторная сумма сил равна нулю, следовательно
| qE + FA = mg, | (2.106) |
где q и m — заряд и масса частицы. Естественно, уравнение разрешимо лишь в случае, когда известны масса частицы и её объем.
«Взвесить» частицу можно в том же конденсаторе, отключив поле. Но на падающую частицу будут действовать уже иные силы (рис. 2.25б), которые вновь будут уравновешены при равномерном её падении:
| Fтр + FA = mg, | (2.106) |
где сила вязкого трения (сила Стокса) определяется вязкостью среды, радиусом шарика r и его скоростью u. Выразив массу и силу Архимеда через радиус частицы, получим
 . | (2.108) |
При известной скорости падения из этого уравнения можно найти радиус падающего тела и, следовательно, его массу.
В опытах Милликена и Иоффе в плоский конденсатор вбрызгивалась масса мелких капель масла (или вдувались мелкие металлические опилки).
Некоторые из них зависали. Зафиксировав положение одной из них, нетрудно было, отключив поле, определить скорость её падения, когда она делалась постоянной. Повторив измерения многократно, исследователи получили целый ряд значений заряда зависшей капельки. К примеру, он мог оказаться таким:| (9,6; 3,2; 6,4; 8,0; 4,8)·10–19 Кл. | (2.109) |
Легко видеть, что каждое из этих чисел без остатка делится на минимальное число, равное 1,6·10–19 Кл, давая при этом ряд целых чисел. Отсюда можно заключить, что заряд каждого шарика составлял целое число зарядов электрона, который и принят в настоящее время за «атом» электричества.
В 1963 году была высказана гипотеза, согласно которой в природе должны существовать частицы с зарядом, составляющим часть заряда электрона. Они были названы кварками. Их три сорта, и каждый имеет заряд, равный либо третьей части заряда электрона, либо двум третьим от него. Знак заряда у каждого сорта кварка свой. Так как в опытах не удалось найти частицы с дробным зарядом, есть основания предполагать, что на нынешнем этапе развития Вселенной они и не должны встречаться в свободном состоянии. Составлять же другие элементарные частицы кварки могут. Например, входящие в состав ядра атома протон и нейтрон можно составить каждый из трех кварков. Более подробно эта тема будет рассмотрена в третьей части.