ثابت

الشحنة الأولية

مقدار الشحنة الكهربائية لإلكترون واحد أو بروتون واحد
القيمة
\(e = 1.602176634 \times 10^{-19}\)coulomb
9 مقالات ذات صلة · 6 صيغ

الوصف

الشحنة الأولية (e) هي مقدار الشحنة الكهربائية التي يحملها بروتون واحد أو إلكترون واحد، وتبلغ حوالي 1.602 × 10⁻¹⁹ كولوم. وهي الكم الأساسي للشحنة في الطبيعة: جميع الشحنات الحرة في الكون هي مضاعفات صحيحة لـ e، وهي حقيقة أثبتها روبرت ميليكان لأول مرة في تجربة قطرة الزيت عام 1909. هذا التكميم هو حجر الزاوية في الفيزياء الذرية والكيمياء والإلكترونيات، ويفسر لماذا تتضمن التفاعلات الكيميائية أعدادًا صحيحة من الإلكترونات، ولماذا تحمل التيارات في المعادن بواسطة جسيمات منفصلة.

التاريخ

يعود مفهوم وحدة الشحنة المنفصلة إلى قوانين فاراداي في التحليل الكهربائي (ثلاثينيات القرن التاسع عشر)، لكن أول قياس مباشر كان بواسطة روبرت ميليكان في عام 1909، وحصل على جائزة نوبل عام 1923 بسببه. تم تحسين القيمة الدقيقة على مدى عقود حتى إعادة تعريف النظام الدولي للوحدات في عام 2019، حيث تم تثبيتها بالتعريف.

كيف يعمل

الشحنة الأولية هي ثابت أساسي في الطبيعة، ولا تُشتق من كميات أخرى. في النظام الدولي للوحدات، أُعيد تعريفها في عام 2019 لتكون بالضبط 1.602176634 × 10⁻¹⁹ كولوم، مما يجعل الأمبير والكيلوغرام يعتمدان على هذه القيمة الثابتة. شحنة الإلكترون هي −e، وشحنة البروتون هي +e؛ وتحمل الكواركات شحنات كسرية (±1/3 e، ±2/3 e) لكنها لا تُلاحظ حرة أبدًا بسبب الحبس. تحدد قيمة e مقياس القوى الكهروستاتيكية على المسافات الذرية، وتحدد طاقات الارتباط وقوى الروابط الكيميائية.

في التطبيق

تدعم جميع الإلكترونيات: تعتمد عملية الترانزستورات والثنائيات والبطاريات على حركة مضاعفات صحيحة من e. كما أنها تحدد وحدة التيار الكهربائي (الأمبير) في النظام الدولي الحديث.

حقيقة طريفة

ينقل البرق النموذجي حوالي 10²⁰ شحنة أولية — أي مئة مليار مليار إلكترون.

Concept graph →

صيغ

$$V(z) = \phi - eFz - \frac{e^2}{4\pi\epsilon_0 z}$$
Potential energy for electron emission including work function and field.
ما في الصيغة
Vمتغيرpotential energy of electron — الطاقة الكامنة (Potential Energy) joule
zمتغيرdistance from the metal surface — موضع metre
φمتغيرwork function of the metal — work function joule
Fمتغيرapplied electric field strength — الحقل الكهربائي volt per metre
eثابتcharge of a single proton — الشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
ε0ثابتability of vacuum to permit electric field lines — سماحية الفراغ = 8.8541878128e-12 farad per metre
$$\Delta Q = \nu \frac{e \Delta \Phi}{\Phi_0}$$
Charge quantization in superconductors relates flux change to accumulated charge.
ما في الصيغة
\Delta QمتغيرAccumulated charge change in the superconductor — شحنة كهربائية coulomb
\Delta \PhiمتغيرChange in magnetic flux through the superconducting loop — تدفق مغناطيسي weber
\nuمتغيرFilling factor (integer or fractional) of the quantum Hall state — بلا أبعاد
eثابتMagnitude of the electric charge of a single electron or proton — الشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
\Phi_0ثابتSuperconducting flux quantum, h/(2e), the fundamental unit of magnetic flux in a superconductor — كم التدفق المغناطيسي = 2.067833848e-15 weber
$$E = \frac{\hbar e B}{m c}$$
Energy of charged particle in magnetic field is proportional to B.
ما في الصيغة
EمتغيرEnergy of the charged particle — طاقة joule
BمتغيرMagnetic field strength — كثافة التدفق المغناطيسي tesla
mمتغيرMass of the charged particle — كتلة kilogram
\hbarثابتReduced Planck constant, quantum of angular momentum — ثابت بلانك المخفض = 1.054571817e-34 joule second
eثابتMagnitude of electric charge of a proton or electron — الشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
cثابتSpeed of light in vacuum, universal constant — سرعة الضوء = 299792458 metre per second
$$\text{RM} = \frac{e^3}{2\pi m_e^2 c^4} \int n_e B_\parallel \, dl$$
Rotation measure is proportional to the integral of electron density times parallel magnetic field along the line of sight.
ما في الصيغة
n_eمتغيرelectron number density — كثافة عدد الإلكترونات per cubic metre
B_parallelمتغيرmagnetic field component along line of sight — كثافة التدفق المغناطيسي tesla
dlمتغيرinfinitesimal path element along line of sight metre
eثابتelementary charge — الشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
m_eثابتelectron rest mass — كتلة الإلكترون = 9.1093837015e-31 kilogram
cثابتspeed of light in vacuum — سرعة الضوء = 299792458 metre per second
∫مؤثرsummation over the line of sight — مؤثر تكاملي
$$F = \frac{h}{2\pi e} A$$
Relates magnetic oscillation frequency to Fermi surface cross-sectional area.
ما في الصيغة
Fمتغيرfrequency of magnetic oscillation — تردد hertz
Aمتغيرextremal cross-sectional area of Fermi surface — مساحة square metre
hثابتثابت بلانك = 6.62607015e-34 joule second
eثابتالشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
$$a_0 = \frac{e E_0}{m_e c \omega}$$
Dimensionless parameter comparing electron oscillation energy to rest mass.
ما في الصيغة
a_0متغيرrelativistic intensity parameter (normalized vector potential) — relativistic parameter
E_0متغيرpeak electric field amplitude of the laser — الحقل الكهربائي volt per metre
ωمتغيرangular frequency of the laser — تردد زاوي radian per second
eثابتcharge of a single proton — الشحنة الأولية = 1.602176634e-19 coulomb
m_eثابتmass of an electron at rest — كتلة الإلكترون = 9.1093837015e-31 kilogram
cثابتuniversal speed limit of light in vacuum — سرعة الضوء = 299792458 metre per second

مقالات ذات صلة · 9

كيمياء الكم لمئات الآلاف من الذرات: نموذج UBio-MolFM
الماء في الكوب يبدو متصلًا، لكنه في الحقيقة رقصة ديناميكية لتريليونات الجزيئات التي تكسر وتكوّن الروابط الكيميائية باستمرار. رؤية هذه الرقصة بكل تفاصيلها كانت مستحيلة سابقًا: الحسابات الدقيقة التي تراعي الخصائص الكمومية للإلكترونات — طبيعتها الموجية وتوزيعها الاحتمالي — كانت تتعامل فقط مع أنظمة صغيرة جدًا لا تتجاوز مئات الذرات. النموذج الجديد UBio-MolFM يغير قواعد اللعبة.
كيف تتبادل الكتلة والشحنة أدوارهما في العالم متعدد الأبعاد
العربة الدوّارة لا تدور بك في دائرة فحسب — بل مع كل دورة تغوص قليلاً في الأرض. هذه الحركة الشبيهة بالبرغي هي جوهر شحنة NUT — خاصية خاصة للزمكان يدرسها الفيزيائيون منذ منتصف القرن الماضي. في العمل الجديد، عاد الباحثون إلى الحلول القديمة لمعادلات أينشتاين التي تصف الفضاء المنحني حول الأجسام الدوارة ذات هذه الخصائص «اللولبية».
الوتر الصامت للجاذبية: البحث عن κ
مبدأ التكافؤ الضعيف، الذي دُرِس ضمنيًا منذ زمن جاليليو ووضع أساس نظرية النسبية العامة، ينص على أن جميع الأجسام تسقط بنفس الطريقة، بغض النظر عن تركيبها الداخلي. تم اختبار التسارع الجاذبي بدقة مذهلة — لا تتجاوز الانحرافات بين الأجسام ذات التركيب المختلف 10⁻¹⁵ من g.
اضمحلال نادر يُرصد لأول مرة
سقوط عملة معدنية على حافتها — بهذه الندرة تقريبًا يضمحل بَيون ثقيل إلى بيون خفيف وزوج إلكترون-بوزيترون. على مدى عقد من تشغيل المصادم، لم تُجمع سوى حفنة من هذه الأحداث، لكن الفيزيائيين تمكنوا أخيرًا من رصدها. احتمال الاضمحلال بلغ حوالي 2.4×10⁻⁸.
الزخات الكونية: كيف ترسم البروتونات صورة الغلاف الجوي
الأشعة الكونية هي جسيمات تصل إلينا من الفضاء السحيق. عندما يصطدم أحد هذه الجسيمات بالغلاف الجوي، يولد زخة كاملة من جسيمات جديدة — تماماً مثل كرة البلياردو التي تحطم مثلث الكرات فتتناثر الكرات في كل اتجاه. للتنبؤ بشكل هذه الزخة، نحتاج إلى معرفة كيفية تفاعل الجسيم الأساسي مع أنوية ذرات الهواء.
العزم ثنائي القطب الكهربائي للديوترون: مطاردة عدم التماثل
يمكن تصور نواة الديوتيريوم، أو الديوترون، على أنها قمة دوارة مجهرية. إذا لم يكن توزيع الشحنات داخلها متماثلًا تمامًا، فإن هذه القمة تتعرض لميل طفيف في محور دورانها عند وضعها في مجال كهربائي خارجي.
قياس ذرة الهيدروجين بدقة تصل إلى أجزاء من التريليون
ذرة الهيدروجين تشبه ساعة صغيرة تدق بدقة يحلم بها المهندسون. عندما يقفز الإلكترون بين المدارات، فإنه يمتص أو يصدر ضوءًا بتردد محدد بدقة، وهذه هي "النبضة". في العمل الجديد، التقط الفيزيائيون أحد هذه الانتقالات، بين الحالتين 2S و6P، وقاسوا تردده بهامش خطأ أقل من جزء من المليار من المئة. الرقم الناتج هو 730 690 248 610.79 كيلوهرتز، والخطأ 0.48 كيلوهرتز فقط.
جسيم شبح: كيف التقطنا إشارة إلى قوة جديدة
في المعهد الهنغاري لأبحاث النواة ATOMKI، لاحظ الفيزيائيون شيئًا غريبًا: في اضمحلال نوى ذرية مثارة، تتولد أحيانًا أزواج من الإلكترون والبوزيترون تتناثر بزاوية غير عادية. وكأن هناك جسيمًا وسيطًا غير مرئي يختبئ بينهما، يظهر للحظة ثم يختفي.
كيف ننظر إلى داخل البروتون باستخدام شعاع من الإلكترونات
يصطدم شعاع الإلكترونات بالبروتون مثل كرة البلياردو بكرة أخرى. ولكن بينهما ليس فراغًا: إذ تتبادل الجسيمات فوتونات افتراضية وبوزونات Z، مثل لاعبين يمررون الكرة خلف ظهورهم. هذا التبادل يغير مسار التشتت قليلًا، وفيه يختفي تلميح إلى فيزياء جديدة. الحسابات على الشبكة هي تقسيم الزمكان إلى خلايا صغيرة وحساب التفاعلات داخل كل خلية.