प्राथमिक शुल्क

Elementary charge
Definition:	charge of a proton
Symbol:	e
SI value:	1.602176634×10−19 C

आवागमन आवेश, जिसे सामान्यतः e से दर्शाया जाता है, एकल प्रोटॉन द्वारा वहाँ ले जाया गया विद्युत आवेश है या समकक्ष रूप से एक इलेक्ट्रॉन द्वारा ले जाया गया नकारात्मक विद्युत आवेश का मान है, जो -1e होता है। यह प्राथमिक आवेश एक मूलभूत भौतिक स्थिरांक है। SI प्रणाली के इकाइयो में, आवागमन आवेश का मान निश्चित रूप से e = 1.602176634×10−19 कुलांब या 160.2176634 ज़िप्तोकुलोम्ब (zC)निर्धारित है। 2019 के SI मूल इकाइयों के पुनर्निर्धारण के उपरांत, सात मौलिक भौतिक स्थिरांकों में से एक आवागमन आवेश है, जिसके आधार पर सात SI मौलिक इकाइयां परिभाषित की जाती हैं। अक्षरशः ग्राम-सेमी-सेकंड प्रणाली (सीजीएस) में, संबंधित मात्रा 4.8032047...×10−10 स्टैट-कुलाम्ब होती है। 1909 में रॉबर्ट ए. मिलिकन और हार्वे फ्लेचर द्वारा तेल की बूंदों के प्रयोग से प्राथमिक आवेश के मान का स्पष्टीकरण किया गया था। मैक्स प्लांक ने 1901 में काले समूह वर्णक्रम से प्राथमिक अवोगाद्रोक आवेश के मान का अस्पष्ट अनुमान (~ 3%) लगाया था और 1865 में जोहान लोश्मिट ने अवोगाद्रो संख्या का मापने के माध्यम से उस समय के विवादास्पद परमाणु सिद्धांत के अनुसार प्राथमिक आवेश का मान आदेश-अनुमानित मापदंड तक अंतर (~1%) लगाया था।

एक इकाई के रूप में

See also: 2019 एसआई आधार इकाइयों की पुनर्परिभाषा

Elementary charge
इकाई प्रणाली	Atomic units
की इकाई	electric charge
चिन्ह, प्रतीक	e
Conversions
1 e in ...	... is equal to ...
coulombs	1.602176634×10−19
${\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}}$ (natural units)	0.30282212088
${\sqrt {{\text{MeV}}\cdot {\text{fm}}}}$ (megaelectronvolt-femtometers)	${\sqrt {1.4399764}}$
statC	≘ 4.80320425(10)×10−10

कुछ प्राकृतिक इकाई प्रणालियों, जैसे कि परमाणु इकाइयों की प्रणाली में, ई विद्युत आवेश के मापन की इकाइयों के रूप में कार्य करती है। एक इकाई के रूप में प्राथमिक प्रभार के उपयोग को 1874 में जॉर्ज जॉनस्टोन स्टोनी द्वारा स्टोनी इकाई नामक प्राकृतिक इकाइयों की पहली प्रणाली के लिए बढ़ावा दिया गया था। इसके बाद उन्होंने इस इकाई के लिए इलेक्ट्रॉन नाम प्रस्तावित किया। उस समय, जिस कण को ​​​​अब हम इलेक्ट्रॉन कहते हैं, उसकी खोज अभी तक नहीं हुई थी और कण इलेक्ट्रॉन और आवेश इलेक्ट्रॉन की इकाई के मध्य का अंतर अभी भी धुंधला था। बाद में, कण को ​​इलेक्ट्रॉन नाम दिया गया और आवेश ई की इकाई ने अपना नाम खो दिया। यद्यपि, ऊर्जा की इकाईइलेक्ट्रॉन वोल्ट इस तथ्य का अवशेष है कि प्राथमिक आवेश को कभी इलेक्ट्रॉन कहा जाता था।

कुछ अन्य प्राकृतिक इकाई प्रणालियों में आवेश की इकाई को इस रूप में परिभाषित किया जाता है ${\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}},$

$$e={\sqrt {4\pi \alpha }}{\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}}\approx 0.30282212088{\sqrt {\varepsilon _{0}\hbar c}},$$

जहाँ α ठीक-संरचना स्थिरांक है, c प्रकाश की गति है, ε₀ विद्युत स्थिरांक है, और ħ घटा हुआ प्लैंक स्थिरांक है।

परिमाणीकरण

See also: आंशिक प्रभार

आवेश परिमाणीकरण यह सिद्धांत है कि किसी भी वस्तु का आवेश प्राथमिक आवेश का पूर्णांक गुणक होता है। इस प्रकार, किसी वस्तु का आवेश ठीक 0 e, या ठीक 1 e, -1 e, 2 e, आदि हो सकता है, परंतु 1/2 e, नहीं या −3.8 e, आदि नही हो सकता है। तथा इस कथन के अपवाद हो सकते हैं, यह इस बात पर निर्भर करता है कि वस्तु को कैसे परिभाषित किया गया है, प्राथमिक आवेश शब्दावली का तात्पर्य यह है कि यह आवेश की एक अविभाज्य इकाई है।

आंशिक प्राथमिक शुल्क

प्राथमिक आवेश की अविभाज्यता के दो प्रकार के अपवाद हैं: क्वार्क और क्वासिपार्टिकल्स ।

• 1960 के दशक में सर्वप्रथम प्रतिपादित क्वार्कों में परिमाणित आवेश होता है, परंतु इसे 1/3 e.आवेश को गुणकों में परिमाणित किया जाता है.यद्यपि, क्वार्क को अलग नहीं किया जा सकता है; तथा वे समूहों में उपस्थित होते हैं, और क्वार्कों के स्थिर समूह (जैसे कि एक प्रोटॉन, जिसमें तीन क्वार्क होते हैं) सभी में ऐसे आवेश होते हैं जो ई के पूर्णांक गुणक होते हैं। जिसके कारण 1 e या 1/3 e को संदर्भ के आधार पर क्वासिपार्टिकल्स उचित रूप से आवेश की मात्रा, माना जा सकता है। यह आवेश अनुरूपता, आवेश क्वांटिज़ेशन,भागीदारी विकिरण थियोरियों को बनाने के लिए प्रोत्साहित करता है। क्वासिपार्टिकल्स ऐसे कण नहीं हैं, बल्कि एक जटिल सामग्री प्रणाली में एक उभरती हुई इकाई है जो एक कण की तरह व्यवहार करती है। यह सिद्धांत व्यापक रूप से स्वीकार किया जाता है, परंतु इसे आवेश परिमाणीकरण के सिद्धांत का उल्लंघन नहीं माना जाता है, क्योंकि क्वासिपार्टिकल्स प्राथमिक कण नहीं होते हैं।

प्रभार की मात्रा

क्वार्क सहित सभी ज्ञात प्राथमिक कणों में ऐसे आवेश होते हैं जो 1/3 e पूर्णांक के गुणक होते हैं इसलिए, आवेश की मात्रा 1/3e है इस विषय में, कोई कहता है कि प्राथमिक आवेश, आवेश की मात्रा से तीन गुना बड़ा है।

दूसरी ओर, सभी पृथक करने योग्य कणों में ऐसे आवेश होते हैं जो ई के पूर्णांक गुणक होते हैं। (क्वार्क को पृथक नहीं किया जा सकता है: वे केवल सामूहिक अवस्थाओं में उपस्थित होते हैं जैसे प्रोटॉन जिनके पास कुल आवेश होते हैं जो ई के पूर्णांक गुणक होते हैं।) इसलिए, "आवेश की मात्रा" ई है, परन्तु क्वार्क को सम्मिलित नहीं किया जाना है। इस मामले में, "प्रारंभिक शुल्क" "आवेश की मात्रा" का पर्याय होगा वास्तव में, दोनों शब्दावली का प्रयोग किया जाता है। इस कारण से, "आवेश की मात्रा" या "आवेश की अविभाज्य इकाई" जैसे वाक्यांश अस्पष्ट हो सकते हैं जब तक कि आगे विनिर्देश न दिया जाए। दूसरी ओर, "प्राथमिक आवेश" शब्द स्पष्ट है: यह एक प्रोटॉन के बराबर आवेश की मात्रा को संदर्भित करता है।

भिन्नात्मक आवेशों की कमी

1931 में पॉल डिराक ने तर्क दिया कि यदि चुंबकीय मोनोपोल उपस्थित हैं, तो विद्युत आवेश को परिमाणित किया जाना चाहिए; यद्यपि, यह अज्ञात है कि चुंबकीय मोनोपोल वास्तव में उपस्थित हैं या नहीं। यह वर्तमान में अज्ञात है कि पृथक करने योग्य कण पूर्णांक आवेशों तक ही सीमित क्यों हैं; स्ट्रिंग सिद्धांत का अधिकांश परिदृश्य भिन्नात्मक आवेशों को स्वीकार करता प्रतीत होता है

See also: विसंगति (भौतिकी) विसंगति रद्दीकरण

प्राथमिक आवेश का प्रायोगिक माप

पढ़ने से पहले, यह याद रखना चाहिए कि प्राथमिक शुल्क 20 मई 2019 से इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली द्वारा सटीक रूप से परिभाषित किया गया है।

अवोगाद्रो स्थिरांक और फैराडे स्थिरांक के संदर्भ में -

यदि अवोगाद्रो स्थिरांक N_Aऔर फैराडे स्थिरांक F स्वतंत्र रूप से ज्ञात हैं, तो प्राथमिक आवेश का मान सूत्र का उपयोग करके निकाला जा सकता है

$e={\frac {F}{N_{\text{A}}}}.$

यहाँ, e मौलिक आवेश का मान है, F फैराडे संख्या है और N_A अवोगाद्रो संख्या है।

दूसरे शब्दों में, एक तिल में इलेक्ट्रॉनों की संख्या से विभाजित इलेक्ट्रॉनों के एक मोल का आवेश एक एकल इलेक्ट्रॉन के आवेश के बराबर होता है।

यह विधि नहीं है कि आज सबसे सटीक मान कैसे मापा जाता है। फिर भी, यह एक वैध और अभी भी काफी सटीक तरीका है, और प्रयोगात्मक तरीके नीचे वर्णित हैं

अवोगाद्रो स्थिरांक NA का मान सबसे पहले जोहान जोसेफ लोस्च्मिड्ट द्वारा अनुमानित किया गया था, जिन्होंने 1865 में हवा में अणुओं के औसत व्यास का अनुमान एक विधि द्वारा लगाया था जो गैस की दी गई मात्रा में कणों की संख्या की गणना के बराबर है। [12] आज एनए के मूल्य को अत्यधिक शुद्ध क्रिस्टल (अक्सर सिलिकॉन) लेकर बहुत उच्च सटीकता पर मापा जा सकता है, एक्स-रे विवर्तन या किसी अन्य विधि का उपयोग करके परमाणुओं को कितनी दूर रखा जाता है, और क्रिस्टल के घनत्व को सटीक रूप से मापने के द्वारा मापा जा सकता है। इस जानकारी से, एक परमाणु के द्रव्यमान (एम) को घटाया जा सकता है; और चूँकि मोलर द्रव्यमान (M) ज्ञात है, एक मोल में परमाणुओं की संख्या NA = M/m की गणना की जा सकती है:

फाराडे का संचार के नियमों का उपयोग करके, F का मान सीधे मापा जा सकता है। फाराडे के संचार के नियम फाराडे द्वारा 1834 में प्रकाशित वैद्युत रसायन शोधों पर आधारित मात्रात्मक संबंध हैं। एक इलेक्ट्रोलिसिस प्रयोग में, धनाग्र से ऋणाग्र तार के माध्यम से गुजरते इलेक्ट्रॉन और धनाग्र या ऋणाग्र पर चढ़ते या उतरते आयनों के मध्य एक-सेअधिक संबंध होता है। धनाग्र या ऋणाग्र के भार का मापना, तार से गुजरे कुल आवेश को मापना, और आयनों के मोलार भार को भी ध्यान में रखते हुए, F का मान निर्धारित किया जा सकता है।। विधि की परिशुद्धता की सीमा F का मापन है: सर्वोत्तम प्रायोगिक मूल्य में 1.6 ppm की सापेक्ष अनिश्चितता होती है, जो प्रारंभिक आवेश को मापने या गणना करने के अन्य आधुनिक नियमों के सापेक्ष में लगभग तीस गुना अधिक होती है।

तेल-बूंद प्रयोग

Main article: तेल-बूंद प्रयोग

e को मापने की एक प्रसिद्ध विधि मिलिकन का तेल-बूंद प्रयोग है। एक विद्युत क्षेत्र में तेल की एक छोटी बूंद एक ऐसी गति से चलती है जो गुरुत्वाकर्षण बल, द्रवता और विद्युत बल को संतुलित करती है। गुरुत्वाकर्षण और द्रवता के कारण बलों की गणना तेल की बूंद के आकार और वेग के आधार पर की जा सकती है, इसलिए विद्युत बल को घटाया जा सकता है। चूंकि विद्युत बल,के बदले में, विद्युत आवेश और ज्ञात विद्युत क्षेत्र का गुणनफल होता है, इसलिए तेल की बूंद के विद्युत आवेश की सटीक गणना की जा सकती है। कई अलग-अलग तेल की बूंदों के आवेशों को मापकर, यह देखा जा सकता है कि इन सभी आवेश के मध्य एक समान छोटा आवेश अर्थात e का गुणक होता हैं।

एक समान आकार के छोटे प्लास्टिक के गोले का उपयोग करके तेल की बूंदों के आकार को मापने की आवश्यकता को समाप्त किया जा सकता है। द्रवता के कारण बल को विद्युत क्षेत्र की शक्ति को समायोजित करके समाप्त किया जा सकता है जिससे गोला गतिहीन हो जाए।

शॉट ध्वनि

Main article: शॉट कोलाहल

कोई भी विद्युत प्रवाह विभिन्न स्रोतों से ध्वनि के साथ जुड़ा होगा, जिनमें से एक शॉट ध्वनि है। शॉट ध्वनि उपस्थित है क्योंकि एक धारा एक सहज निरंतर प्रवाह नहीं है; इसके अतिरिक्त, एक धारा असतत इलेक्ट्रॉनों से बना होता है जो एक समय में एक के बाद एक गुजरते हैं।धारा के ध्वनि का सावधानीपूर्वक विश्लेषण करके, इलेक्ट्रॉन के आवेश की गणना की जा सकती है। यह विधि, पहले वाल्टर एच. शोट्की द्वारा प्रस्तावित, ई का एक मान निर्धारित कर सकती है जिसकी सटीकता कुछ प्रतिशत तक सीमित है। [16] यद्यपि, इसका उपयोग लॉफलिन क्वासिपार्टिकल्स के पहले प्रत्यक्ष अवलोकन में किया गया था, जो भिन्नात्मक क्वांटम हॉल प्रभाव में निहित है।

जोसेफसन और वॉन क्लिट्ज़िंग स्थिरांक से

प्रारंभिक आवेश को मापने के लिए एक अन्य सटीक विधि क्वांटम यांत्रिकी में दो प्रभावों के मापन से इसका अनुमान लगाना है: जोसेफसन प्रभाव, वोल्टेज दोलन जो कुछ अतिचालक संरचनाओं में उत्पन्न होते हैं; और क्वांटम हॉल प्रभाव, कम तापमान पर इलेक्ट्रॉनों का क्वांटम प्रभाव, मजबूत चुंबकीय क्षेत्र और दो आयामों में बंधन जोसेफसन स्थिरांक होता है

$K_{\text{J}}={\frac {2e}{h}},$

जहाँ h प्लैंक स्थिरांक है। इसे सीधे जोसेफसन प्रभाव का उपयोग करके मापा जा सकता है।

वॉन क्लिट्ज़िंग स्थिरांक है

$R_{\text{K}}={\frac {h}{e^{2}}}.$

क्वांटम हॉल प्रभाव का उपयोग करके इसे सीधे मापा जा सकता है।

इन दो स्थिरांकों से, प्राथमिक आवेश का अनुमान लगाया जा सकता है:

$e={\frac {2}{R_{\text{K}}K_{\text{J}}}}.$

कोडाटा विधि

प्राथमिक शुल्क निर्धारित करने के लिए कोडाटा द्वारा प्रयुक्त संबंध था:

$e^{2}={\frac {2h\alpha }{\mu _{0}c}}=2h\alpha \varepsilon _{0}c,$

जहाँ h प्लैंक स्थिरांक है, α ठीक-संरचना स्थिरांक है, μ₀ चुंबकीय स्थिरांक है, ε₀ विद्युत स्थिरांक है, और c प्रकाश की गति है। तो वर्तमान में यह समीकरण ε0 और α के बीच संबंध को दर्शाता है, जबकि अन्य सभी का मान स्थिर हैं। इस प्रकार दोनों की सापेक्ष मानक अनिश्चितताएँ समान होंगी।

प्रारंभिक प्रभार की सार्वभौमिकता के परीक्षण

कण	अपेक्षित शुल्क	प्रायोगिक बाधा	टिप्पणियाँ
इलेक्ट्रॉन	$q_{\text{e}}=-e$	यथावत	परिभाषा से
प्रोटॉन	$q_{\text{p}}=e$	$\left|{q_{\text{p}}-e}\right|<10^{-21}e$	एक गोलाकार रेसोनेटर में SF6 गैस पर एक एल्टरनेटिंग इलेक्ट्रिकक्षेत्र लागू करने पर कोई मापनीय ध्वनि नहीं मिलने से, सिद्ध किया जा सकता है कि इलेक्ट्रॉन के आवेश एक निश्चित मान होता है।
पोजीट्रान	$q_{{\text{e}}^{+}}=e$