§10-1  电荷和库仑定律

    一、电荷

    人们对电荷的认识是从摩擦起电现象开始的。如果把用丝绸摩擦过的玻璃棒用细线系其中间并水平地悬挂起来,把另一根用丝绸摩擦过的玻璃棒去靠近它,它们将相互排斥;而用毛皮摩擦过的硬橡胶棒去靠近它,它们将相互吸引。这说明,用丝绸摩擦过的玻璃棒和用毛皮摩擦过的硬橡胶棒都带有电荷,并且带有不同的电荷。人们把用丝绸摩擦过的玻璃棒所带的电荷,规定为正电荷;而把用毛皮摩擦过的硬橡胶棒所带的电荷,规定为负电荷。以后的大量实验都证明,电荷只有这两种。

    在构成物质的原子中通常包含了三种微观粒子,它们是质子、中子和电子。质子带有一个单位的正电荷,电子带有一个单位的负电荷,中子则不带电荷。质子和中子的质量相近,电子的质量约为它们的1/1840。因此,原子的电性是由它所包含的质子数和电子数决定的,而质量则是由它所包含的质子数和中子数决定的。质子和中子组成紧密实体,称为原子核。电子则在原子核外围绕着原子核运动。在正常情况下,原子核所带的质子数与核外的电子数相等,整个原子呈电中性。由于电子离开原子核很远,特别是最外层的电子,受原子核引力作用很小,容易离去。如果原子中有一个或多个电子离去,原子就表现为带正电,称为正离子;如果原子获得了一个或多个电子,原子就表现为带负电,称为负离子。原子失去或获得电子的过程,称为电离。在正常情况下,物质是由电中性的原子组成的,其整体也呈电中性。通过摩擦或别的方法使物体带电的过程,就是使原子电离而转变为离子的过程。很明显,当一个物体失去一些电子而带正电时,必然有另一个物体获得这些电子而带负电,摩擦或别的使物体带电的方法,并没有也不可能制造电荷,只是把电子从一个物体迁移到另一个物体,从而改变了物体的电中性状态。因此,一个与外界没有电荷交换的孤立系统,无论发生什么变化,整个系统的电荷总量(正、负电荷的代数和)必定保持不变。这个结论称为电荷守恒定律,它是物理学中具有普遍意义的定律之一,也是自然界普遍遵从的一个基本规律。它不仅适用于宏观现象和过程,也适用于微观现象和过程。

    物体所带过剩电荷的总量称为电荷量,简称电荷或电量。由上面关于物质电结构的讨论可知,任何物体所带电量,不是电子电量的整数倍,就是质子电量的整数倍。若用e表示质子所带电量,电子的电量则为- e,物体所带电量总可以表示为

                           q = n e ,                       (10-1)

式中n是正的或负的整数,e就是电量的基本单元。电量只能取分立的、不连续数值的性质,称为电量的量子化。在近代物理学中,量子化是一个重要的基本概念。1964年物理学家提出,强子(如质子、中子、介子和超子等)是由夸克(quark)构成的,而不同类型的夸克带有不同的电量,为e的1/3或2/3。但到目前为止还没有发现以自由状态存在的夸克。可以相信,随着研究的深入,电量的最小单元不排除会有新的结论,但是电量量子化的基本规律是不会改变的。

    在国际单位制中,电量的单位是C (库仑)。根据1986年国际科技数据委员会推荐的数值,电量基本单元e =1.60217733(49)×10-19  C。

    从上面的讨论中大家已经看到,电荷是由微观粒子所携带,可以说,电荷是物质的一种属性。粒子物理的研究发现了一种奇特的现象,即任何一种微观粒子都存在其反粒子,粒子和它的反粒子分别携带等量异号的电荷。例如,电子带- e的电量,其反粒子(正电子)则带+e的电量,质子带+e的电量,其反粒子(反质子)则带- e的电量,p +介子带+e的电量,其反粒子p-介子则带- e的电量,等等。

    从狭义相对论的讨论中大家已经知道,物体的质量m是与其运动速率有关的,并由下式所表示

                     ,

其中m0是物体的静质量。电荷作为物质的另一种属性,情形又是怎样的呢?大量实验表明,一切带电体的电量不因其运动而改变,这就是说,电荷是相对论性不变量。

       
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