La carica e’ una quantità fisica fondamentale di una particella che ne determina la partecipazione in un processo di interazione.
La carica elettrica e’ responsabile dell’interazione elettromagnetica, la carica di colore (o carica forte) dell’interazione forte, ecc. Quark e gluoni hanno carica di colore e conseguentemente partecipano all'interazione forte. Esistono tre cariche di “colore” diverse (rossa, verde e blu) e tre cariche di "anticolore" (antirossa, antiverde e antiblu).
Emmy Noether dimostrò che se un sistema fisico è invariante sotto alcuni gruppi di trasformazioni continue, allora da ciascuna proprietà di simmetria segue la conservazione di una quantità fisica del sistema.
Teorema di Noether:
“Per ogni simmetria continua a N parametri esitono N grandezze conservate"
La conservazione della carica deriva dall'invarianza sotto trasformazioni di fase del gruppo U(1) definite da:
y(x) ® y’(x) = eiay(x)
In pratica questa sostituzione lascia invariate le equazioni, come puo’ essere verificato negli appunti per il corso di Fisica Nucleare (INFN) di Fiorenzo Bastianelli:
Le teorie che utilizzano questo tipo di formalismo prendono il nome di Teorie di Gauge.
Una chiara esposizione viene fornita da Diego Bettoni (INFN):
http://www.fe.infn.it/~bettoni/particelle/Lezione3.pdf
Le forze elettromagnetiche agiscono sulla carica elettrica trasportata da qualsiasi particella carica, la cui unità di misura è la carica dell'elettrone. Nata con le leggi dell'elettromagnetismo e passata attraverso la scoperta dei quanti, da gran tempo è noto che due cariche elettriche si attirano o si respingono secondo il quadrato della distanza che le separa.
Un elettrone che subisce un rallentamento o un'accelerazione si trasforma in un elettrone più un fotone, che può essere l’emissione di luce da un atomo o di un'onda radio da un'antenna.
L'elettrone può emettere il fotone solo in presenza di un'altra particella carica.
Nell’interazione elettromagnetica il fotone viene emesso ed assorbito anche se
l'energia non è conservata durante il breve istante del processo virtuale
e nell'elettrodinamica quantistica sarà rappresentata da uno scambio di tali fotoni. Nell'accoppiamento elettromagnetico le cariche sono conservate dato che alla fine della reazione vi è altrettanta elettricità che all'inizio. La carica elettrica si comporta quindi come una corrente elettrica che passa da una particella all'altra senza aumentare né diminuire.
L’esperimento di Millikan dimostrò che la carica elettrica è quantizzata, cioè può assumere soltanto dei valori che siano multipli interi dell’unità di carica elementare
e = 1,602×10-19C (e = carica dell’elettrone):
Una spiegazione del motivo per cui le forze elettromagnetiche decrescono con il quadrato della distanza, può essere ricavato dalla relazione DE Dt » ħ
Se un elettrone emette un fotone virtuale di grande energia, esso può esistere solo per un tempo molto corto e può quindi esercitare una forza intensa solo su di un altro elettrone che gli passi vicino. D’altra parte un fotone virtuale di piccola energia può avere influenza, sebbene con intensità più debole, anche su distanze più grandi.
Abstract - Gauge Invariance and Charge Conservation.
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