مقال عن الشحنة الكهربائية في الذرات
تأمل أحد الأشياء المحيطة بك. إذا دمرتَ شيئًا ما، كحجر مثلاً، فسينقسم إلى قطع أصغر. وإذا دمرتَ جزءًا من الحجر مرة أخرى، فستتحول هذه القطع إلى قطع أصغر. ماذا لو دُمر الحجر مرة أخرى؟ بالطبع، سيصبح أصغر. هل يمكن تدمير الأحجار إلى قطع أصغر إلى ما لا نهاية؟ تُظهر الحقيقة أن تقسيم أي جسم إلى أجزاء أصغر سيؤدي إلى نقطة لا يمكن فيها تقسيم أصغر جزء من الجسم إلى أجزاء أصغر. يُسمى أصغر جزء من الجسم لا يمكن تقسيمه بالذرة. إذن، الذرات هي أصغر جزء في كل مادة في الكون.
تتكون الذرات من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات. تشكل البروتونات والنيوترونات نواة ذرية يبلغ طولها حوالي 10-15 مترًا. أما الإلكترونات فتقع خارج النواة وتدور حولها كما تدور الكواكب حول الشمس. إذا افترضنا أن قطر الذرة بضعة كيلومترات، فإن حجم النواة الذرية يكون بحجم كرة البلياردو.
وتتواجد الإلكترونات بين النواة، وتصل إلى مسافة تقارب 10-10 أمتار من مركز الذرة. ويوجد فراغ بين مركز الذرة والإلكترون.
تتمركز الإلكترونات سالبة الشحنة على حواف الذرات، بينما تتمركز البروتونات موجبة الشحنة في نواة الذرة. ولكي تستمر الإلكترونات في الدوران حول النواة دون أن تفلت من الذرة، يجب أن تُمارس نواة الذرة موجبة الشحنة قوة جذب عليها. تُسمى هذه القوة التي تجذب الإلكترونات للبقاء حول النواة وعدم القدرة على فصلها عن الذرة بالقوة الكهربائية.
من جهة أخرى، تحتوي نواة الذرة على بروتونات موجبة الشحنة، ولذلك تتنافر هذه البروتونات بسبب تشابه شحناتها. ولكي تبقى البروتونات متماسكة داخل النواة ولا تنفصل عن الذرة، لا بد من وجود قوة تربطها ببعضها. تُسمى هذه القوة بالقوة النووية.
كتلة البروتون تكاد تساوي كتلة النيوترون. يتركز ما يقارب 99.9% من الكتلة الذرية حول نواة الذرة، بينما كتلة الإلكترونات ضئيلة للغاية. كتلة الإلكترون (me) = 9.1093897 × 10⁻³¹ كجم ، كتلة النيوترون (mn) = 1.6749286 × 10⁻²⁷ كجم ، كتلة البروتون (mp) = 1.6726231 × 10⁻²⁷ كجم.
كمية الكهرباء
الإلكترونات سالبة الشحنة، والبروتونات موجبة الشحنة، والنيوترونات متعادلة الشحنة. يتكون كل من البروتونات والنيوترونات من الكواركات، التي تحمل شحنة تساوي ثلث شحنة الإلكترونات أو ثلثيها على التوالي. الكواركات هي أصغر الجسيمات التي تُكوّن الذرات، ولكن لم يُعثر حتى الآن على كواركات منفردة كجسيمات مستقلة.
كمية شحنة الإلكترون أو شحنة البروتون هي الوحدة الأساسية للشحنة. الشحنة الكهربائية لجسم ما هي مضاعف لشحنة الإلكترون أو شحنة البروتون. يُسمى هذا بالشحنة الكمية. على سبيل المثال، إذا كان أصغر جزء من العملة المتداولة هو 1، فإن المبلغ الذي يملكه الشخص مُقسَّمًا على مضاعفات أصغر جزء من العملة هو 1. على سبيل المثال، المبلغ الذي أملكه هو 2 و3.
مقدار شحنة الإلكترون هو -e، ومقدار شحنة البروتون هو +e. مقدار شحنة أي جسم هو مضاعف للعدد e أو 1.60 × 10⁻¹⁹ كولوم ، ويمكن التعبير عنه بالمعادلة Q = ±Ne. حيث Q = عدد الشحنات، و± يمثل نوع الشحنة، وN عدد صحيح، وe = 1.60 × 10⁻¹⁹ كولوم.
الشحنة الكهربائية في الأجسام
إذا احتوت الذرة على عدد من الإلكترونات يساوي عدد البروتونات، فإن الشحنة الكهربائية الكلية فيها تساوي صفرًا، وتكون الذرة متعادلة كهربائيًا. يُسمى عدد البروتونات أو الإلكترونات في الذرة المتعادلة بالعدد الذري (Z). إذا كان عدد الإلكترونات أكبر من عدد البروتونات، تكون الذرة سالبة الشحنة. وعلى العكس، إذا كان عدد الإلكترونات أقل من عدد البروتونات، تكون الذرة موجبة الشحنة. تُسمى الذرات سالبة الشحنة بالأيونات السالبة، بينما تُسمى الذرات موجبة الشحنة بالأيونات الموجبة. تُسمى عملية اكتساب الذرة للإلكترونات أو فقدانها لها بالتأين. عندما نقول إن الذرة مشحونة، فإننا نعني صافي الشحنة. على سبيل المثال، ذرة تحتوي على 10 إلكترونات و7 بروتونات. هذه الذرة سالبة الشحنة لأن لديها فائضًا قدره 3 إلكترونات. لذا، فإن صافي شحنة هذه الذرة هو 3، وهذا النوع من الشحنة الذرية سالب. الأشكال 3 و7 و10 هي مجرد أمثلة لتسهيل الفهم. في الواقع، مقدار الشحنة الكهربائية لجسم ما هو مضاعف لشحنة الإلكترون أو شحنة البروتون.
إذا كان عدد الإلكترونات في جسم ما مساويًا لعدد البروتونات، فإنه يكون متعادلًا كهربائيًا. أما إذا كان عدد الإلكترونات في جسم ما أكبر من عدد البروتونات، فإنه يكون سالب الشحنة، بينما إذا كان عدد الإلكترونات في جسم ما أقل من عدد البروتونات، فإنه يكون موجب الشحنة. ويمكن جعل الأجسام المتعادلة كهربائيًا سالبة الشحنة بإضافة إلكترونات إليها، كما يمكن جعلها موجبة الشحنة باختزال الإلكترونات منها.
