Artikkeli atomien sähkövarauksesta
Tarkkaile yhtä ympärilläsi olevaa esinettä. Jos tuhoat esineen, esimerkiksi kiven, kivi hajoaa pienemmiksi paloiksi. Jos osa kivestä tuhoutuu uudelleen, kivenpalat muuttuvat pienemmiksi paloiksi. Entä jos kivi tuhoutuu uudelleen? Tietenkin kivi pienenee. Voiko kiviä tuhota pienemmiksi tai jopa äärettömiksi paloiksi? Todellisuudessa esineen jakaminen pienempiin osiin saavuttaa pisteen, jossa esineen pienintäkään osaa ei voida enää jakaa pienempiin osiin. Esineen pienintä osaa, jota ei voida jakaa, kutsutaan atomiksi. Atomit ovat siis kaikkien maailmankaikkeuden aineiden pienin osa.
Atomit koostuvat elektroneista, protoneista ja neutroneista. Protonit ja neutronit muodostavat noin 10–15 metriä pitkiä atomiytimiä. Elektronit ovat ytimen ulkopuolella ja liikkuvat atomin ytimessä kuten planeetat kiertävät aurinkoa. Jos oletetaan, että atomin halkaisija on muutama kilometri, niin atomin ydin on biljardipallon kokoinen,
ja elektronit ovat ytimen välissä ja saavuttavat noin 10–10 metrin etäisyyden ytimestä . Ytimen ja elektronin välissä on tilaa.
Negatiivisesti varautuneet elektronit sijaitsevat atomien reunoilla ja positiivisesti varautuneet protonit atomin ytimessä. Jotta elektronit pysyisivät kiertämässä ytimessä eivätkä karkaise atomista, positiivisesti varautuneen atomin ytimen on kohdistettava elektroniin vetovoima. Voimaa, joka vetää elektroneja puoleensa pysymään ytimen ympärillä eikä niitä voida erottaa atomista, kutsutaan sähkövoimaksi.
Toisaalta atomin ytimessä on positiivisesti varautuneita protoneja, joten protonien on hylkivä toisiaan saman varauksen vuoksi. Jotta protonit pysyisivät yhdessä ytimessä eivätkä irtoaisi atomista, on oltava voima, joka yhdistää protoneja. Voimaa, joka sitoo protonit yhteen atomin ytimessä, kutsutaan ydinvoimaksi.
Protonin massa on lähes sama kuin neutronin massa. Noin 99.9 % atomin massasta on keskittynyt atomin ytimeen, kun taas elektronien massat ovat hyvin pieniä. Elektronin massa (me) = 9.1093897 x 10⁻³³ kg , neutronin massa (mn) = 1.6749286 x 10⁻³³ kg , protonin massa (mp) = 1.6726231 x 10⁻³³ kg.
Sähkön määrä
Elektronit ovat negatiivisia, protonit positiivisia ja neutronit neutraaleja. Protonit tai neutronit koostuvat kvarkeista, joiden varaus on ± 1/3 ja ± 2/3 kertaa elektronien varaus. Kvarkit ovat pienimpiä atomeja muodostavia hiukkasia, mutta toistaiseksi kvarkkien ei ole havaittu esiintyvän yksinään.
Elektronin tai protonin varauksen määrä on varauksen perusyksikkö. Kappaleen sähkövaraus on elektronin tai protonin varauksen monikerta. Tätä kutsutaan kvantisoiduksi varaukseksi. Esimerkiksi jos käyttämämme valuutan pienin murto-osa on 1, niin henkilön ilmoittama rahamäärä pienimmän valuutan monikertoina on 1. Esimerkiksi rahamääräni on 2 ja 3.
Elektronin varauksen määrä on –e ja protonin varauksen suuruus on +e. Kappaleen varauksen määrä on e:n monikerta eli 1.60 x 10⁻¹³ Coulombin , ja se voidaan ilmaista kaavalla Q = ± Ne. Q = varausten lukumäärä, ± edustaa varauksen tyyppiä, N = kokonaisluku, e = 1.60 x 10⁻¹³ Coulombin.
Sähkövaraus esineissä
Jos atomissa on yhtä monta elektronia kuin protonissa, atomin kokonaissähkövaraus on nolla, ja atomi on neutraali eli sähköisesti varautumaton. Neutraalin atomin protonien tai elektronien lukumäärää kutsutaan järjestysluvuksi (Z). Jos elektroneja on enemmän kuin protoni, atomi on negatiivisesti varautunut. Kääntäen, jos elektroneja on vähemmän kuin protoneja, ne ovat positiivisesti varautuneita. Negatiivisesti varautuneita atomeja kutsutaan negatiivisiksi ioneiksi, kun taas positiivisesti varautuneita atomeja kutsutaan positiivisiksi ioneiksi. Elektronien vastaanottamista tai vapauttamista atomista kutsutaan ionisaatioksi. Kun sanomme, että atomi on varattu, tarkoitetaan nettovarausta. Esimerkiksi atomissa on 10 elektronia ja 7 protonia. Tämä atomi on negatiivisesti varautunut, koska sillä on 3 elektronin ylimäärä. Joten tämän atomin nettovaraus on 3, ja tämäntyyppinen atomin varaus on negatiivinen. Kuvat 3, 7 ja 10 ovat vain esimerkkejä ymmärryksen helpottamiseksi. Todellisuudessa kappaleen sähkövarauksen määrä on elektronin tai protonin varauksen monikerta.
Jos kappaleessa on yhtä monta elektronia kuin protoneja, kappale on neutraali eli sähköisesti varautumaton. Jos kappaleessa on enemmän elektroneja kuin protoneja, kappale on negatiivisesti varautunut. Jos taas kappaleessa on vähemmän elektroneja kuin protoneja, kappale on positiivisesti varautunut. Alun perin neutraalit kappaleet voidaan varata negatiivisesti lisäämällä niihin elektroneja. Muussa tapauksessa kappaleet voidaan varata positiivisesti pelkistämällä niiden elektroneja.
