پایستگی بار الکتریکی: قانون اساسی طبیعت
بار الکتریکی چیست؟
همه‌ی ما با پدیده‌ی جرقه زدن هنگام درآوردن لباس‌های پشمی در زمستان یا چسبیدن بادکنک به دیوار پس از مالش آن به موهایمان آشنا هستیم. این پدیده‌های جذاب، همگی به دلیل وجود یک خاصیت فیزیکی در مواد به نام بار الکتریکی۲ رخ می‌دهند. بار الکتریکی یک ویژگی ذاتی برای ذرات تشکیل‌دهنده‌ی اتم‌ها، یعنی پروتون‌ها و الکترون‌ها، است.
بار الکتریکی دو نوع اصلی دارد: بار مثبت و بار منفی. پروتون‌ها بار مثبت و الکترون‌ها بار منفی دارند. نوترون‌ها نیز در هستهٔ اتم وجود دارند اما بار الکتریکی آن‌ها صفر است. واحد اندازه‌گیری بار الکتریکی، کولن۳ نام دارد. یک پروتون یا یک الکترون، بار بسیار کوچکی در حدود ۱.۶ × ۱۰-۱۹ کولن دارند.
بیانیهٔ قانون پایستگی بار الکتریکی
قانون پایستگی بار الکتریکی یکی از قوانین کلیدی و تجربی فیزیک است. این قانون به زبان ساده بیان می‌کند:
این قانون را می‌توان به صورت ریاضی نیز نشان داد. اگر بار کل اولیه‌ی یک سیستم را با $ Q_{initial} $ و بار کل نهایی را با $ Q_{final} $ نشان دهیم، طبق این قانون خواهیم داشت:
برای درک بهتر، می‌توانیم یک جدول از بار ذرات بنیادی تهیه کنیم:
| نام ذره | موقعیت در اتم | بار الکتریکی (کولن) | نوع بار |
|---|---|---|---|
| پروتون | هسته | +۱.۶ × ۱۰-۱۹ | مثبت |
| الکترون | پوسته | -۱.۶ × ۱۰-۱۹ | منفی |
| نوترون | هسته | ۰ | خنثی |
نمایش قانون پایستگی در آزمایش‌های ساده
بیایید این قانون را با یک آزمایش ساده و قابل انجام در خانه بررسی کنیم. شما به یک میلهٔ شیشه‌ای، یک تکه پارچهٔ ابریشمی و دو الکتروسکوپ (وسیله‌ای برای تشخیص بار الکتریکی) نیاز دارید.
مراحل آزمایش:
۱. در ابتدا، هر دو الکتروسکوپ خنثی هستند. یعنی تعداد پروتون‌ها و الکترون‌های آن‌ها برابر است و برگه‌های فلزی داخل آن‌ها به هم چسبیده‌اند.
۲. میلهٔ شیشه‌ای را به پارچهٔ ابریشمی مالش می‌دهیم. در این فرآیند، الکترون‌ها از میلهٔ شیشه‌ای به پارچهٔ ابریشمی منتقل می‌شوند.
۳. در نتیجه، میلهٔ شیشه‌ایی که الکترون از دست داده است، بار مثبت پیدا می‌کند. پارچهٔ ابریشمی که الکترون دریافت کرده است، بار منفی پیدا می‌کند. دقت کنید که در اینجا هیچ باری خلق یا نابود نشده است. فقط الکترون‌ها جابه‌جا شده‌اند. بار کل سیستم (میله + پارچه) قبل و بعد از مالش، صفر و یکسان باقی می‌ماند.
۴. اگر میلهٔ دارای بار مثبت را به کلاهک الکتروسکوپ اول نزدیک کنیم، الکترون‌های موجود در الکتروسکوپ جذب میله شده و به سمت کلاهک حرکت می‌کنند. در نتیجه، برگه‌های فلزی که هر دو کسری بودجه الکترون پیدا کرده‌اند، یکدیگر را دفع می‌کنند و از هم فاصله می‌گیرند.
۵. حالا اگر با دست خود کلاهک الکتروسکوپ دوم را لمس کنیم، الکترون‌ها از طریق بدن ما (که یک هادی است) وارد الکتروسکوپ می‌شوند و آن را دارای بار منفی می‌کنند. اگر دست خود را برداریم و سپس میلهٔ مثبت را نزدیک کنیم، خواهیم دید که برگه‌های الکتروسکوپ دوم نیز از هم فاصله می‌گیرند.
این آزمایش به وضوح نشان می‌دهد که بار فقط منتقل شده است. بار مثبت میله باعث ایجاد بار منفی در الکتروسکوپ اول و بار منفی در الکتروسکوپ دوم شد، اما مجموع جبری همهٔ بارها در کل سیستم، همواره ثابت مانده است.
پایستگی بار در واکنش‌های هسته‌ای و شیمیایی
این قانون فقط به آزمایش‌های سادهٔ الکتریسیتهٔ ساکن محدود نمی‌شود، بلکه در تمام پدیده‌های فیزیکی، شیمیایی و هسته‌ای نیز صادق است.
در واکنش‌های شیمیایی: در یک واکنش شیمیایی مانند سوختن چوب یا ترکیب اسید و باز، تنها الکترون‌ها بین اتم‌ها مبادله یا به اشتراک گذاشته می‌شوند. تعداد کل پروتون‌ها، نوترون‌ها و الکترون‌ها قبل و بعد از واکنش ثابت است، بنابراین بار کل نیز ثابت می‌ماند.
در واکنش‌های هسته‌ای: حتی در قدرتمندترین واکنش‌ها مانند شکافت هسته‌ای در یک نیروگاه برق یا همجوشی هسته‌ای در خورشید، قانون پایستگی بار همچنان پابرجاست. به عنوان مثال، هنگامی که یک اورانیوم-۲۳۵ شکافته می‌شود، مجموع بارهای محصولات شکافت دقیقاً برابر با بار هستهٔ اورانیوم اولیه است. در این فرآیندها، ذرات جدیدی مانند فوتون (ذرهٔ نور) تولید می‌شوند، اما فوتون بار الکتریکی ندارد، بنابراین در مجموع بار خالص تغییری نمی‌کند.
یک مثال ساده، واپاشی ذرهٔ آلفا است. هنگامی که یک هستهٔ رادیواکتیو مانند رادیم-۲۲۶، یک ذرهٔ آلفا (هستهٔ هلیوم متشکل از ۲ پروتون و ۲ نوترون) گسیل می‌کند، به یک هستهٔ جدید تبدیل می‌شود. بار اولیهٔ رادیم-۲۲۶ برابر ۸۸ واحد (چون ۸۸ پروتون دارد) است. پس از گسیل ذرهٔ آلفا که بار آن ۲ واحد است، بار هستهٔ جدید (رادون-۲۲۲) برابر ۸۶ واحد خواهد بود. می‌بینید که ۸۸ = ۲ + ۸۶ و بار کل حفظ شده است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاورقی
۱ پایستگی بار الکتریکی (Conservation of electric charge)
۲ بار الکتریکی (Electric charge)
۳ کولن (Coulomb)
۴ الکتروسکوپ (Electroscope)