基元电荷是电荷的最小独立存在单位，常用符号 e 表示，其大小等于一个质子或一个电子所带电荷的绝对值。2019 年 5 月 20 日起，国际单位制将基元电荷的数值固定为 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ 库仑，它不再由实验测定，而成为定义安培的基础常数之一。一切可独立存在的带电粒子，其电荷量都是基元电荷的整数倍这一规律，称为电荷量子化。
定义
基元电荷指电荷量的最小独立单元，是电子所带电荷的绝对值，也等于质子所带电荷的绝对值。国际纯粹与应用化学联合会指出，能够单独存在的最小电荷就是基元电荷，即质子的电荷[1]。它通常用符号 e 表示，数值上取 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ 库仑[2]。
物体所带电荷的多少称为电荷量，其国际单位是库仑，符号为 C[3]。任何带电体的电荷量都等于基元电荷的整数倍，约 6.25 × 10¹⁸ 个基元电荷所带的电荷量合计为 1 库仑[3]。微观粒子所带基元电荷的数量常称为它们各自的电荷数，只能取正整数或负整数[4]。
原理
基元电荷的重要性来自电荷量子化。实验表明，已发现的各种粒子所带电荷都是质子电荷 e 的整数倍，这一规律称为电荷量子化[5]。对电荷量子化最精确的检验方式是测量质子与电子电荷的代数和，若该规律严格成立，其值应恰为零；现有实验给出该代数和的绝对值小于 10⁻²¹e[5]。
基元电荷与普朗克常数相组合，构成了电磁计量的基本关系。约瑟夫森常数等于 2e/h，冯·克利青常数等于 h/e²，二者分别把基元电荷和普朗克常数与宏观可观测的电压、电阻联系起来[6]。在国际单位制中，安培由基元电荷定义：当基元电荷以库仑为单位表达时，其固定数值取为 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹[7]。
发展历程
电荷存在最小单元的设想最早来自电解实验。1891 年，爱尔兰物理学家斯托尼根据法拉第电解定律，提出电荷存在一个自然的单元，并用「电子」一词为这一单元命名，但当时还无法确定其确切数值[8]。此前的 1881 年，他已估算过这一单元的大小，结果为 3 × 10⁻¹¹ 静电单位，比真实值小了约十倍[9]。
直接测定这一电荷值的工作由密立根完成。1909 年起，密立根改用水滴为油滴开展实验，油滴蒸发慢，可以对同一液滴持续观察，他用电压调节液滴的升降，从升降速度推算其电荷量[10]。他发现所测液滴的电荷总是同一基本电荷的整数倍，由此确立了电荷的分立性质，并给出了电子电荷的平均值[10]。
此后基元电荷的数值不断被修正并进入计量体系。国际计量委员会下属的电磁咨询委员会在 2007 年建议，用基元电荷 e 和普朗克常数 h 的固定值来定义电学单位[11]。2018 年 11 月，第 26 届国际计量大会通过决议，决定自 2019 年 5 月 20 日起生效的新国际单位制中，基元电荷 e 为 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ 库仑[7]。
应用
基元电荷是电学量子标准的基础。最精确的电学标准是约瑟夫森电压标准与量子霍尔电阻标准，二者都建立在宏观量子效应之上，使电学单位可以由基元电荷和普朗克常数这两个基本物理常数导出[12]。在国际单位制修订后，这两个常数的数值被固定，约瑟夫森电压标准因此成为伏特的直接复现手段，量子霍尔电阻标准则成为欧姆的直接复现手段[12]。
中国计量科学研究院围绕电学量子标准开展了研制工作。在量子电压标准领域，该院的 1 伏和 10 伏直流量子电压基准分别参加了 1995 年和 2013 年的国际关键比对[13]。在量子电阻标准领域，该院于 2003 年建成量子化霍尔电阻基准装置，相对标准不确定度达到 2.4 × 10⁻¹⁰[13]。
基元电荷也用于描述电流。在新的国际单位制下，安培的定义要求控制确定数量的基元电荷流动；研究工作把约瑟夫森结阵与量子霍尔电阻组合成量子电路，以基元电荷与约瑟夫森频率的整数比组合产生量化电流[14]。
局限
基元电荷是能够自由存在的最小电荷，但它并不是所有粒子电荷的公共单位。在强子结构理论中，组成强子的夸克被认为带有 2e/3 或 −e/3 的分数电荷[5]。理论推测夸克受到色禁闭限制而无法自由存在，实验上也始终没有发现自由夸克，因此自然界能够自由存在的粒子电荷很可能仍是质子电荷的整数倍[5]。
寻找带分数电荷孤立粒子的实验长期没有确认结果。已知能够作为单个粒子被分离出来的基本粒子，其电荷大小都等于电子电荷或为零，多年来针对 ±q/3、±q/2、±3q/2 等分数电荷的搜寻均未获得证实[15]。
电荷量子化本身在理论上也未被完全解释。狄拉克曾推测，如果存在磁单极子，量子力学将自动要求电荷量子化，但磁单极子同样一直未被观测到[16]。
在计量应用层面，基于基元电荷的量子电压与电阻标准需要低温制冷设备，而且量子霍尔电阻标准与约瑟夫森电压标准工作在不同的磁场条件下，难以在同一低温恒温器中同时运行[6]。
参见
参考资料
- electric charge [引用日期2026-10-14]
- Resolution 1 of the 26th CGPM (2018) [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-电荷量 [引用日期2026-10-14]
- ◎微观粒子所带的基元电荷数常叫做它们各自的电荷数,都是正整数或负整数 [引用日期2026-10-14]
- [科普中国]-粒子电荷 [引用日期2026-10-14]
- An issue of standards [引用日期2026-10-14]
- Resolution-CGPM-26-1 [引用日期2026-10-14]
- 近代物理讲座第一讲 几个著名的物理实验(Ⅱ) [引用日期2026-10-14]
- 密立根油滴仪测量电子电量-北京邮电大学物理实验教学中心 [引用日期2026-10-14]
- 今天,每一个中学生都知道,电子的电荷的精确测量是密立根得到的,这就是密立根的油滴实验 [引用日期2026-10-14]
- Recommendation 1 of the 25th CCEM (2007) [引用日期2026-10-14]
- BIPM technical services: Electrical Metrology [引用日期2026-10-14]
- 中国为应对电磁计量单位变革开展的研究 [引用日期2026-10-14]
- Savoirs ENS [引用日期2026-10-14]
- osti.gov 上的网页 [引用日期2026-10-14]
- Why is Charge Quantized [引用日期2026-10-14]