La carga elemental , generalmente denotada por e , es una constante física fundamental , definida como la carga eléctrica transportada por un solo protón o, de manera equivalente, la magnitud de la carga eléctrica negativa transportada por un solo electrón , que tiene carga −1 e . [2] [un]
En el sistema de unidades SI , el valor de la carga elemental se define exactamente como =1,602 176 634 × 10 −19 culombios , o 160,2176634 zepto culombios (zC). [3] Desde la redefinición de las unidades básicas del SI en 2019 , las siete unidades básicas del SI están definidas por siete constantes físicas fundamentales, de las cuales la carga elemental es una.
En el sistema de unidades centímetro-gramo-segundo (CGS), la cantidad correspondiente es4,803 2047 ... × 10 −10 estatculombios . [b]
El experimento de la gota de aceite de Robert A. Millikan y Harvey Fletcher midió por primera vez directamente la magnitud de la carga elemental en 1909, difiriendo del valor moderno aceptado en sólo un 0,6%. [4] [5] Bajo los supuestos de la entonces cuestionada teoría atómica , la carga elemental también había sido inferida indirectamente con una precisión de ~3% a partir de los espectros del cuerpo negro por Max Planck en 1901 [6] y (a través de la constante de Faraday ) en el orden- precisión de magnitud mediante la medición del número de Avogadro realizada por Johann Loschmidt en 1865.
En algunos sistemas de unidades naturales , como el sistema de unidades atómicas , e funciona como unidad de carga eléctrica . El uso de la carga elemental como unidad fue promovido por George Johnstone Stoney en 1874 para el primer sistema de unidades naturales, llamado unidades Stoney . [7] Posteriormente, propuso el nombre de electrón para esta unidad. En aquel momento, la partícula que ahora llamamos electrón aún no había sido descubierta y la diferencia entre la partícula electrón y la unidad de carga del electrón aún era borrosa. Posteriormente, a la partícula se le asignó el nombre de electrón y la unidad de carga e perdió su nombre. Sin embargo, la unidad de energía electronvoltio (eV) es un vestigio del hecho de que la carga elemental alguna vez se llamó electrón .
En otros sistemas de unidades naturales, la unidad de carga se define como con el resultado de que
La cuantización de carga es el principio de que la carga de cualquier objeto es un múltiplo entero de la carga elemental. Por lo tanto, la carga de un objeto puede ser exactamente 0 e , o exactamente 1 e , −1 e , 2 e , etc., pero no 1/2 e , o −3,8 e , etc. (Puede haber excepciones a esta afirmación, dependiendo de cómo se defina "objeto"; ver más abajo).
Esta es la razón de la terminología "carga elemental": implica que es una unidad de carga indivisible.
Hay dos tipos conocidos de excepciones a la indivisibilidad de la carga elemental: los quarks y las cuasipartículas .
Todas las partículas elementales conocidas , incluidos los quarks, tienen cargas que son múltiplos enteros de1/3 mi . Por lo tanto, el " cuanto de carga" es1/3 mi . En este caso, se dice que la "carga elemental" es tres veces mayor que el "cuanto de carga".
Por otro lado, todas las partículas aislables tienen cargas que son múltiplos enteros de e . (Los quarks no se pueden aislar: existen sólo en estados colectivos como los protones que tienen cargas totales que son múltiplos enteros de e .) Por lo tanto, el "cuánto de carga" es e , con la condición de que no se incluyan los quarks. En este caso, "carga elemental" sería sinónimo de "cuanto de carga".
De hecho, se utilizan ambas terminologías. [8] Por esta razón, frases como "el cuanto de carga" o "la unidad indivisible de carga" pueden ser ambiguas a menos que se proporcionen más especificaciones. Por otra parte, el término "carga elemental" es inequívoco: se refiere a una cantidad de carga igual a la de un protón.
Paul Dirac argumentó en 1931 que si existen monopolos magnéticos , entonces la carga eléctrica debe cuantificarse; sin embargo, se desconoce si realmente existen los monopolos magnéticos. [9] [10] Actualmente se desconoce por qué las partículas aislables están restringidas a cargas enteras; gran parte del panorama de la teoría de cuerdas parece admitir cargas fraccionarias. [11] [12]
La carga elemental está exactamente definida desde el 20 de mayo de 2019 por el Sistema Internacional de Unidades . Antes de este cambio, la carga elemental era una cantidad medida cuya magnitud se determinaba experimentalmente. Esta sección resume estas mediciones experimentales históricas.
Si se conocen independientemente la constante de Avogadro N A y la constante de Faraday F , el valor de la carga elemental se puede deducir mediante la fórmula
(En otras palabras, la carga de un mol de electrones, dividida por el número de electrones en un mol, es igual a la carga de un solo electrón).
Este método no es el que se utiliza hoy en día para medir los valores más precisos . Sin embargo, es un método legítimo y bastante preciso, y las metodologías experimentales se describen a continuación.
El valor de la constante de Avogadro N A fue aproximado por primera vez por Johann Josef Loschmidt quien, en 1865, estimó el diámetro promedio de las moléculas en el aire mediante un método que equivale a calcular el número de partículas en un volumen dado de gas. [13] Hoy en día, el valor de N A se puede medir con muy alta precisión tomando un cristal extremadamente puro (a menudo silicio ), midiendo qué tan separados están los átomos usando difracción de rayos X u otro método, y midiendo con precisión la densidad de el cristal. A partir de esta información se puede deducir la masa ( m ) de un solo átomo; y como se conoce la masa molar ( M ), se puede calcular el número de átomos en un mol: N A = M / m . [14]
El valor de F se puede medir directamente utilizando las leyes de electrólisis de Faraday . Las leyes de la electrólisis de Faraday son relaciones cuantitativas basadas en las investigaciones electroquímicas publicadas por Michael Faraday en 1834. [15] En un experimento de electrólisis , existe una correspondencia uno a uno entre los electrones que pasan a través del cable de ánodo a cátodo y el iones que se depositan dentro o fuera del ánodo o cátodo. Midiendo el cambio de masa del ánodo o cátodo y la carga total que pasa a través del cable (que se puede medir como la integral de tiempo de la corriente eléctrica ), y también teniendo en cuenta la masa molar de los iones, se puede deducir F. [14]
El límite de la precisión del método es la medición de F : el mejor valor experimental tiene una incertidumbre relativa de 1,6 ppm, aproximadamente treinta veces mayor que otros métodos modernos de medición o cálculo de la carga elemental. [14] [16]
Un método famoso para medir e es el experimento de la gota de aceite de Millikan. Una pequeña gota de petróleo en un campo eléctrico se movería a una velocidad que equilibrara las fuerzas de la gravedad , la viscosidad (de viajar por el aire) y la fuerza eléctrica . Las fuerzas debidas a la gravedad y la viscosidad podrían calcularse en función del tamaño y la velocidad de la gota de aceite, de modo que se podría deducir la fuerza eléctrica. Dado que la fuerza eléctrica, a su vez, es el producto de la carga eléctrica y el campo eléctrico conocido, la carga eléctrica de la gota de aceite podría calcularse con precisión. Al medir las cargas de muchas gotas de petróleo diferentes, se puede ver que todas las cargas son múltiplos enteros de una sola carga pequeña, a saber, e .
La necesidad de medir el tamaño de las gotas de aceite se puede eliminar utilizando pequeñas esferas de plástico de tamaño uniforme. La fuerza debida a la viscosidad se puede eliminar ajustando la intensidad del campo eléctrico de modo que la esfera permanezca inmóvil.
Cualquier corriente eléctrica estará asociada con ruido proveniente de una variedad de fuentes, una de las cuales es el ruido de disparo . El ruido de disparo existe porque una corriente no es un flujo continuo y uniforme; en cambio, una corriente está formada por electrones discretos que pasan uno a la vez. Analizando cuidadosamente el ruido de una corriente, se puede calcular la carga de un electrón. Este método, propuesto por primera vez por Walter H. Schottky , puede determinar un valor de e cuya precisión está limitada a un pequeño porcentaje. [17] Sin embargo, se utilizó en la primera observación directa de las cuasipartículas de Laughlin , implicadas en el efecto Hall cuántico fraccionario . [18]
Otro método preciso para medir la carga elemental es infiriéndola a partir de mediciones de dos efectos en mecánica cuántica : El efecto Josephson , oscilaciones de voltaje que surgen en ciertas estructuras superconductoras ; y el efecto Hall cuántico , un efecto cuántico de electrones a bajas temperaturas, fuertes campos magnéticos y confinamiento en dos dimensiones. La constante de Josephson es
La constante de von Klitzing es
De estas dos constantes se puede deducir la carga elemental:
La relación utilizada por CODATA para determinar la carga elemental fue:
donde h es la constante de Planck , α es la constante de estructura fina , μ 0 es la constante magnética , ε 0 es la constante eléctrica y c es la velocidad de la luz . Actualmente esta ecuación refleja una relación entre ε 0 y α , mientras que todas las demás son valores fijos. Por tanto, las incertidumbres estándar relativas de ambos serán las mismas.