基本電荷

基本電荷 (Elementary charge)
國立臺灣大學物理學系 簡裕峰

電荷，指的是物體的帶電量。而基本電荷指的是電荷的最小單位，意即所有的電荷都是基本電荷的整數倍。現今基本電荷的定義是一個質子或電子所帶的電荷量，符號為 $$e$$，大小是 $$1.602\times 10^{-19}$$ 庫倫 (C)。電荷是一種物體的基本性質，如同質量是物體的基本性質一樣，電荷不是粒子，電子和質子才是粒子。

在富蘭克林的時代，電荷被想像成一種連續性的流體，這種概念是為了解釋電流而存在的。隨著道耳吞原子說的建立，人們漸漸知道即使是流體如空氣和水，依舊是由原子和分子所組成的。粒子的數量是一個一個的、是量化的 (quantized)。於是人們也想知道，究竟電荷量是連續的還是量化的。

1897 年，湯姆森發表了他著名的陰極射線管實驗，在這個實驗當中，湯姆森證明了陰極射線是由單一種帶負電的粒子所組成，且這種粒子是所有物質都共同具有的帶電粒子物質，同時湯姆森也求出這種粒子的荷質比是一個固定的比值，表示陰極射線中每一個單一帶電粒子，其具有的電荷量是固定的，這表示電荷量不是連續的、而是量化的。

1909 年，密立根 (Robert A. Millikan, 1868-1953) 設計了著名的油滴實驗。在這個實驗當中（如圖一），密立根施加可變電壓於兩塊平行電板之間，並噴灑油滴，當油滴經過電板中間的小孔而向下墜落時，以輻射線照射使之帶電，接著密立根調控平行電板之間的電壓，使得油滴所受電力與重力達平衡，透過一旁的顯微鏡觀察，可以計算出油滴的體積，乘上油滴的密度及當時的重力場，再除以所施加的電場，就可以得知油滴的帶電量。當然，油滴並不會只帶負電，而是因為帶正電的油滴會很快地墜落到底部的負電板，因此會被顯微鏡觀察到的油滴都是帶負電且淨力平衡的油滴。密立根接著發現每一滴油滴的帶電量都是 $$1.602\times 10^{-19}$$ 庫倫 (C) 的整數倍，因此他斷言基本電荷量 $$e=1.602\times 10^{-19}$$ 庫倫 (C)。這是人類史上第一次概略地量出基本電荷的大小。隨著實驗儀器的更新及實驗方法的改良，目前基本電荷的量值為 $$e=1.602176565(35)\times 10^{-19}$$ 庫倫 (C)。

圖一 油滴實驗

1960年代提出的夸克模型，認為質子和中子分別由具有 $$-\frac{1}{3}e$$ 及 $$+\frac{2}{3}e$$ 的兩種夸克組成，而這兩種夸克的存在也從實驗中得到證實，表示電荷其實是可以帶有 $$e$$ 的 $$\frac{1}{3}$$ 倍數，然而目前還沒有發現單獨存在的夸克，夸克總是以某種特定規則組合而出現，所以目前基本電荷的概念並沒有因為發現夸克而修改，依舊停留在 $$e$$ 的階段。

參考文獻

1. Elementary charge — https://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_charge
2. 基本電荷｜百度百科。http://baike.baidu.com/view/651171.htm?fromtitle=%E5%85%83%E7%94%B5%E8%8D%B7&fromid=5483064&type=syn
3. 2-1觀念03米立坎的油滴實驗-發現基本電荷與電子質量｜ 均一教育平台。https://www.youtube.com/watch?v=jfObLNwKDIE
4. Halliday D., Resnick R., Walker J. (2011), Principles of Physics Extended, 9th Edition, International Student Version, Wiley.
5. Cathode ray — Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Cathode_ray