חומר מטען חשמלי
אנא התבוננו באחד העצמים סביבכם. אם אתם הורסים עצם, למשל סלע, הסלע יתפצל למספר חתיכות קטנות יותר. אם הסלע יימעך שוב, הסלע יהפוך לחתיכות קטנות עוד יותר. מה אם חתיכות הסלע יימעכו שוב? כמובן, חתיכות הסלע יימעכו והופכות לחתיכות קטנות עוד יותר. האם ניתן לחלק סלעים לחתיכות קטנות עוד יותר עד שיהיו אינסופיות? העובדה מראה שכל עצם אם יחולק לחתיכות קטנות יותר יגיע לנקודה שבה החלק הקטן ביותר של העצם לא ניתן לחלק לחתיכות קטנות יותר. החלק הקטן ביותר של עצם שלא ניתן לחלק עוד נקרא אטום. לכן אטום הוא החלק הקטן ביותר של כל חומר ביקום.
מטען חשמלי באטומים
אטומים מורכבים מאלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים. פרוטונים ונייטרונים יוצרים את גרעין האטום, שגודלו כ-10-15 מטרים . אלקטרונים ממוקמים מחוץ לגרעין ומקיפים אותו כמו כוכבי לכת המקיפים את השמש. בהנחה שקוטרו של אטום הוא כמה קילומטרים, הגרעין הוא בערך בגודל של כדור ביליארד, כאשר אלקטרונים ממוקמים בתוך הגרעין, ומגיעים למרחק של כ-10-10 מטרים . בין הגרעין לאלקטרון נמצא חלל ריק.
אלקטרונים טעונים שליליים ממוקמים בקצוות האטום, ופרוטונים טעונים חיוביים ממוקמים בגרעין. כדי לשמור על אלקטרונים מקיפים את הגרעין ולא בורחים מהאטום, הגרעין הטעון באופן חיובי חייב להפעיל כוח משיכה על האלקטרונים. כוח זה, אשר שומר על אלקטרונים מקיפים את הגרעין ומונע מהם לברוח, נקרא כוח חשמלי.
לעומת זאת, בתוך גרעין האטום נמצאים פרוטונים בעלי מטען חיובי, ולכן הם דוחים זה את זה באופן טבעי מכיוון שיש להם את אותו מטען. כדי לשמור על הפרוטונים יחד בגרעין האטום ולמנוע מהם להיפרד מהאטום, כוח חייב להחזיק אותם יחד. הכוח שמחזיק את הפרוטונים יחד בגרעין האטום נקרא כוח גרעיני.
המסה של פרוטון כמעט זהה למסה של נויטרון. כ-99,9% ממסת האטום מרוכזת בגרעין, בעוד שלאלקטרונים יש מסה קטנה מאוד. המסה של אלקטרון (m e ) = 9,1093897 x 10 -31 ק"ג, המסה של נויטרון (m n ) = 1,6749286 x 10 -27 ק"ג, ומסה של פרוטון (m p ) = 1,6726231 x 10 -27 ק"ג.
כמות המטען החשמלי
אלקטרונים טעונים שלילית, פרוטונים טעונים חיובית, וניוטרונים ניטרליים מבחינה חשמלית. הפרוטונים והנויטרונים המרכיבים את גרעין האטום מורכבים מקווארקים, בעלי מטענים הגדולים בערך פי 1/3 וכפי 2/3 ממטענים של אלקטרונים. קווארקים הם החלקיקים הקטנים ביותר המרכיבים אטומים, אך עד כה, קווארקים לא נמצאו כקיימים לבד כחלקיקים בודדים.
גודל מטען האלקטרון או מטען הפרוטון הוא יחידת המטען הבסיסית. גודל המטען החשמלי של עצם הוא כפולה של מטען האלקטרון או מטען הפרוטון. זה נקרא מטען כמותי . לדוגמה, אם המטבע הנמוך ביותר שאנו משתמשים בו הוא 100 רופיות, אז סכום הכסף שיש לאדם מבוטא בכפולות של המטבע הקטן ביותר, כלומר 100 רופיות. לדוגמה, סכום הכסף שלי הוא 100.000 ואת ה-100.000 הזה ניתן לחלק ב-100. זה יהיה מוזר אם סכום הכסף שלי היה 100.002 מכיוון שאין ערך נקוב של 2 רופיות. באופן דומה, כמות המטען של עצם. כמות המטען של אלקטרון היא -e וכמות המטען של פרוטון היא +e. כמות המטען של עצם היא כפולה של e או 1,60 x 10-19 קולומב וניתן לבטא אותה באמצעות Q = ±Ne. Q = כמות המטען, ± מייצג את סוג המטען, N = מספר שלם, e = 1,60 x 10-19 קולון.
מטען חשמלי בעצמים
אם לאטום יש את אותו מספר אלקטרונים כמו לפרוטונים, אז המטען החשמלי הכולל באטום הוא אפס, והאטום ניטרלי, כלומר אין לו מטען חשמלי. מספר הפרוטונים או האלקטרונים באטום ניטרלי נקרא המספר האטומי (Z) . אם יש יותר אלקטרונים מפרוטונים, האטום טעון שלילי. לעומת זאת, אם יש פחות אלקטרונים מפרוטונים, האטום טעון חיובי. אטומים טעונים שלילי נקראים יונים שליליים , בעוד שאטומים טעונים חיובי נקראים יונים חיוביים . תהליך הבליעה או השחרור של אלקטרונים מאטום נקרא יינון . כשאנו אומרים שאטום טעון, אנו מתכוונים למטען הכולל או למטען נטו. לדוגמה, לאטום יש 10 אלקטרונים ו-7 פרוטונים. אטום זה טעון שלילית מכיוון שיש לו 3 אלקטרונים טעונים שליליים עודפים. לכן המטען נטו של אטום זה הוא 3, וסוג המטען האטומי הוא שלילי. המספרים 3, 7, 10 הם רק דוגמאות כדי להקל על ההבנה. במציאות, כמות המטען החשמלי של עצם היא כפולה של מטען האלקטרון או מטען הפרוטון.
אם לעצם יש מספר אלקטרונים זהה למספר הפרוטונים, אזי הוא ניטרלי או שאין לו מטען חשמלי. אם לעצם יש יותר אלקטרונים מפרוטונים, אזי יש לו מטען שלילי. לעומת זאת, אם לעצם יש פחות אלקטרונים מפרוטונים, אזי יש לו מטען חיובי. עצם שהיה בתחילה ניטרלי יכול להיות טעון שלילית על ידי הוספת אלקטרונים לעצם, בעוד שעצם יכול להיות טעון חיובי על ידי הפחתת האלקטרונים בעצם.
