Essential University Physics 20.1 电荷

是什么使我们的身体成为一个整体?什么使摩天大楼昂然屹立?急转弯的时候,什么使你的汽车抓住地面?什么使你的计算机的电子线路正常工作?壮观的闪电,背后是谁在操纵?这些问题的答案都指向同一个东西——电作用力。除了万有引力,我们在力学中遇到的力——张力、弹力、摩擦力——本质上都是电作用力。反过来,我们称具有电作用力的物体带有电荷。

20.1 电荷

普通物质是由电子、质子、中子组成的,其中电子和质子都带有电荷,中子不带电荷。电荷的本质是什么?现在的物理还没有答案。我们对电荷的认识来自我们对带电物体行为的观察。正如我们也不知道质量的本质,但是我们对之很熟悉,因为我们每时每刻都在感受物体的运动。

电荷分两种,本杰明·富兰克林将之分别称为正电荷和负电荷。这种命名非常有用,因为一个物体的总电荷——也称为净电荷——是两种电荷的代数和。定性观察表明,同种电荷互相排斥,异种电荷互相吸引。



本杰明·富兰克林

电量

物体所带电荷的多少叫做电量。所有的电子的电量都是一样的,所有的质子的电量也都是一样的。电子和质子的电量也是一样的,但是符号相反。电子和质子其他方面的性质——如质量——差别巨大,电方面有这么“巧”的关系,还真是令人惊奇。如果不是这么巧的话,即便二者电量相差十亿分之一,我们的世界将完全不同。

电子和质子电量的绝对值称为基元电荷,记做$e$。任何带电体,不管是原子核、原子、离子、分子,乃至宏观物体,所带电量都是基元电荷的整数倍。这种电量只能取离散数值的现象叫做电荷的量子化。1909年,美国物理学家罗伯特·密立根发明了一个精巧的装置,测量了油滴的电量,发现油滴的电量总是某个值的整数倍。这个值就是我们现在所称的基元电荷。



罗伯特·密立根

粒子物理理论表明,基元电荷其实是$\frac{e}{3}$。这种“分数电荷”是夸克所带电量。夸克是电子、质子、中子等粒子的组成单元。夸克总是组合起来形成其他粒子,使相应的粒子的电量是基元电荷的整数倍。另外,物理认为,夸克不能单独存在,此即“夸克禁闭”现象。

电量的国际单位是库仑,记做$\mathrm C$,以法国物理学家查尔斯·奥古斯丁·库仑的名字命名。尽管电量的单位库仑是根据电流来定义的,但是我们也可以把库仑定义为$6.25\times 10^{18}$个基元电荷的电量,即基元电荷的电量约为$1.60\times 10^{-19}\mathrm C$。



查尔斯·奥古斯丁·库仑

电荷守恒

电量是守恒量,即闭合区域的净电量总是保持不变。电荷可以创生,可以湮灭,但总是等量异号电荷一起发生。比如,一个高能光子与一个重原子核作用时,该光子可以转化成一个正电子和一个负电子。一个正电子和一个负电子在一定条件下相遇,会湮灭,产生两个或三个光子。



电子-正电子 成对产生

电子-正电子 成对湮灭

标签: 电荷, 库仑, 基元电荷, 电荷守恒

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