电学1 DIANCIXUE B -18 1747年，美国料学家高兰克林把在室温下丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷 你为正电荷，毛皮摩棕过的橡胶棒所带的电荷称为负电荷，现在人们都习惯沿 用富兰克林的定义，即自然界只有两种电荷：正电荷和负电荷：而事实上正如 左和右一样，它们的定义是任意的 一磨擦带电是利用机械能使物休带电的一种方式，对摩擦带电木质和机理的研 究花今已有很多论文，但各家的结果还不能达成完金一致，但一些基本的结果是 一致的，如摩擦带电是在界面上消耗了功的结果，摩擦会在界面上产生“热点”，这 样会使温度增加，有利于电荷的转移：堡擦可以增加接触面积等，摩赣带电实验 与环境温度、湿度、气压，材料的表面特件等诸多因素有紧密的关系 1,1,3,物质结构和电荷 1897年，汤姆论，1.homson,156-1940)对气体放电和阴极射线进行 了系统研究，并测量了阴极射线粒子的荷质比： 后≈1X1一×（电蓝单位/克 汤则逊得出结论，阴极财线是由相同的带电：拉组成的，而这种微粒是一种小 粒子，它是各种原子的组成部分：这样汤姆逊发理了电子，并把结果发表在哲 学杂志上，汤期混因此荣获10后年装贝尔物理学奖 1898年，斯托克斯G,G.Stokes,1819-1903)测量电荷的最小单位是 e=5×100静地单位关于静电单位解释见习题1.21、1909-1913年间密立 根(RA,Mik心，18路一1953)开展了精确测量电子电荷的工作，用油滴实验 通过多次反复聊量，阅定电荷的最小单位是：e=4.774×10“静电单位，这 结果发表在1913年美园（物理评论）杂志上，这一数值被科学家使用了很 久。密立根也由此荣获了192照年诺贝尔物理学奖。目前，测量电子的电量为 e=1.60219s9246)×10C, 电荷是物质的基本属性之一，不存在不依附物质的“单独电荷”，电量就是 物体所带电荷的数量、这可以用一些简单的仪器来测量，如验电器、静电计等 其基本原理是利用了同种电荷相西排斥的特性。 发现电子后，人们进一步去探素原子的内部结构。1911年卢瑟福(E Rutherford.1871-1937)提出了原子的核模型：玻尔(N.H.D.Bohr,1885 1962)建立了原子的玻尔理论.即自然界的物质都是由原子组成的，原子是由 位于原子中心的原子核和围绕着核旋转的一些电子组成的，就像太阳系的行星 绕着太阳运行一样。电子的质量为9.1091×100kg,而质子和中子的质量分
19 第1章电力与电场平 别是电子的1836倍和1839倍 (单位：10"m) 100000000 原子核 00000 1000 电 1 图1,3原子和原子核的结构 实验证实，电子的电荷集中在半径小于10m的小体积内。因此，电子至 今仍被当成是一个无内部结构而有有限质量和电荷的“点“，通过高能电子束 散射实验测出的质子和中子内部的电荷分布如图1.4所示。质子中只有正电 荷，都集中在半径约为10m的体积内。中子虽呈电中性，但内部也有电荷分 布，靠近中心为正电荷，靠外为负电荷：正负电荷电量相等，所以对外不显电性 这是因为质子和中子是由更小的带分数电荷的夸克组成的，如图1.5所示。 中子 +0.51.01.5 0.51.015 r(10品 r105m) 图1.4质子和中子内的电荷分布 (b) 图(Q=4产，(r)为单位厚度球壳 的电量) 可以自由存在的电荷的基本单元就是一个电子所带电量()的绝对值。实 验证明，在自然界中，电荷总是以一个基本单元的整数倍出现，电荷的这个特性 叫作电荷的量子性，即Q=Ne,其中N为整数. 电荷具有基本单元的概念，最初是根据电解现象中通过溶液的电量和析出 物质的质量之间的关系提出的。法拉第和阿累尼乌斯(S.A.Arrhenius,1859
DIANCIXUE 20 1927)等都为此做过重要贡献，他们的结论是：一个离子的电量只能是一个基 本电荷的电量的整数倍。 图1.5质子和中子是由夸克组成的 微观粒子所带的基元电荷数常叫作它们各自的电荷数，都是正整数或负留 数。近代物理从理论上预言基本拉子由若干种夸克或反夸克组成，每一个夸克 或反夸克带有一e3或+2e3的电量，如图1.6所示，然而至今自由存在的 夸克尚未在实验中发现，夸克都是处于因禁状态，即使发现了自由的夸克，也 不过把基元电荷的大小缩小到目前的©3，电荷的量于性依然不变 夸克 电量 底夸克 顶夸克 (Top) 2 (Bottom 奇异夸克 -1 粲夸克 (Strange (Charm -1a 2 图1.66种夸克和所带的电荷 1.1.4电荷守恒定律 实验指出，对于一个孤立系统，不论发生什么变化，其中所有电荷的代数和 水远保持不变，这就是电荷守恒定律。它是自然界的基本定律之一 如果由于某种原因，物体失去一定量的电子，它就呈现带正电状态：若物体 获得一定量过剩的电子，它便呈现带负电状态。物体的带电过程实质上就是使
21 第1章电力与电场号 物体失去一定数量的电子或获得一定数量的电子的过程。电荷守恒定律是一 切宏观过程和一切微观过程都必须遵循的基本规律，它在所有的惯性系中都成 立，而且在不同的惯性系内的观察者对电荷进行测量所得到的量值都相同。换 可话说，电荷是一个相对论性不变量。 宏观物体的带电以及物体内的电流等现象实质上是由于微观带电粒子在 物体内运动的结果。因此，电荷守恒实际上也就是在各种变化中，系统内粒子 的总电荷数守恒 1928年，秋拉克(P.M.Drc,1902-1984)在理论上大胆地提出了电子有 在反粒子 正电子。1929年，赵忠光(1902-1998)在加州理工大学做博士论 文的研究工作时，在实验中发现了高能光子进入到铅等材料时产生的能量为 0.511McV的光子.这实际上是高能光子先产生正负电子对，然后正负电子对 相遇而湮没成2个光子的过程。1932年，安德逊(C.D.Anderson,1905 1991)当时还是博士后（他与赵忠尧先生的指导老师就是著名的密立根教授）， 他用云室（一种能显示带电粒子径迹的探测器）拍摄到了宇宙射线进入铅板产 生的正负电子对的径迹，并直接在论文中表明发现了正电子，使他获得了1936 年的诺贝尔奖 狄拉克 安德逊 赵忠尧 图1,7对反物质的理论预言与实验发现做出重要贡献的3位科学家 近代物理实验发现，在一定条件下，带电粒子可以产生和湮没。例如，一个 高能光子在一定条件下可以产生一个正电子和一个负电子：一对正负电子可以 同时潭没，转化为光子。不过在这些情况下，带电粒子总是成对产生和湮没，两 个粒子带电数量相等但正负相反，而光子又不带电，所以电荷的代数和仍然不 变。产生正负电子对或正负电子对湮没过程不仅满足电荷守恒，也满足能量和 动量守恒。根据爱因斯坦的质能关系，对两个动能近似为零的正负电子，潭灭 后产生的每个光子的能量为
A0uE2 电被学1川 E=hv me?0.511 Mey 而且发射的2个光子满足动量守恒，即2个光子成180角的发射：如果正负电 子的动能不为零，发射的2个光子的能量要大于电子的静止质量转换的能量， 同时2个光子之间的发射角度也不是成180角，如图1.8(a1同理，高能光子 进人一个原子核附近，会转换成正负电子对，如图1.8() 正值电子对产生 正负电子硬没 图1.8正负电子对的湮没和 产生 电荷守恒定律与电荷的量子属性有关，但设x个子的电荷等于0.73，那 么，要平衡衰变过程的方程并保持电荷守恒就十分困难，实际上，依据现有的 衰变过程的理论，不但在套变前后，甚至在衰变过程的每一个中间阶段，电荷都 是守恒的，现代的位子加速器就是通过高能粒子之间的碰撞来产生大量的粒 子，从而有可能发现以前没有发现的新粒子、图L,9就是粒子加速器加速的高 图1.9高能粒子碰撞产生的 大量的粒子