تقوم رؤية الكيميائيين للحقيقة الفيزيائية على وجود جُسَيْمين أصغر من الذرة. وهذان الجسَيْمان هما البروتون والإلكترون. صحيح أن ثمة جسيمات دون ذرية أخرى (كالكواركات وغيرها)، إلا أن البروتون والإلكترون يمثلان من بعض النواحي أبسط الجسيمات اللازمة لوصف المادة.

اكتشف الإلكترون في وقت مبكر من القرن العشرين، وهو خفيف جداً (أخف ب­2000 مرة من أصغر ذرّة، أي ذرّة الهدروجين) ويمتلك شحنة سالبة. أما البروتون، الذي يمثل بقية كتلة ذرّة الهدروجين، فيمتلك شحنة موجبة. وفي حال وجود إلكترونين جنباً إلى جنب، فإنهما يؤثران في بعضهما البعض وفقاً لقانون القوة الكهربائية الأساسي. ويمكن التعبير عن تلك القوة بمعادلة بسيطة تُسمى أحياناً قانون كولومب Coulomb's law.

عندما تفصل مسافة مقدارها r بين جُسَيْمين مشحونين تُعطى القوة المؤثرة فيهما بـ: F= Q₁Q₂/r²

حيث F هي القوة الفاعلة بين الجُسَيمين، وQ₁ هي شحنة الجسيم الأول وQ₂ هي شحنة الجسَيْم الثاني، وr هي المسافة بين الجسيمين. لاحظ أنه إذا كان الجسيمان إلكترونين تكون لـ Q₁ وQ₂ نفس الإشارة (والقيمة أيضاً)، ولذا تكون القوة بينهما عدداً موجباً. وعندما تؤثر قوة موجبة في جسيم فإنها تدفعه بعيداً. ولا تحبّ الإلكترونات الاقتراب من بعضها لأن الشحنات المتشابهة تتنافر تماماً كما يتنافر مغنطيسان متشابهان والعكس صحيح أيضاً. إذا كان ثمة جُسَيْمان لهما شحنتان مختلفتان كانت القوة بينهما سالبة، وجذب أحدهما الآخر. أي إن الشحنات المختلفة تتجاذب. وهذه نتيجة مباشرة لقانون كولومب.

وينتج من قانون كولومب أيضاً أن القوة الفاعلة بين الجسيمين تصبح صغيرة إذا ابتعدا عن بعضهما البعض كثيراً (أي عندما تصبح r كبيرة). لذا فإن الإلكترونين المتجاورين جداً سوف يدفع كل منهما الآخر حتى تصبح المسافة الفاصلة بينهما كبيرة إلى حد يجعل قوة تنافر هما مهملة فينعم حينئذ كلّ منهما بتفرُّده. ¹

وحينما تتدفق الإلكترونات على شكل تيار كهربائي فإنه من المفيد وصف ما يحصل للفراغات التي تخلّفها وراءها. تُسمّى تلك الفراغات بالفجوات holes. وليست الفجوات جسيمات حقيقية، بل هي أمكنة يجب أن تكون فيها إلكترونات، والإلكترونات تحاول الوصول إليها وتُعتبر الفجوات ذات شحنة موجبة، لذا بإمكانك تخيل التيار الكهربائي على أنه مجموعة من الإلكترونات التي تنتقل من مكان فيه وفرة منها (أي من الشحنات السالبة)، ومن أمثلته الجزء السفلي من بطارية من المقاس AA إلى مكان فيه وفرة من الفجوات (شحنات موجبة)، ومن أمثلته الجزء العلوي من تلك البطارية. ولتحقيق الانتقال تتدفق الإلكترونات عبر دارة خارجية حيث تؤدي عملاً مفيداً.

هوامش

(1) solipsism. استعار المؤلفان هذه الصورة مجازاً من مذهب التفرد، وهو مذهب فلسفي يقول بأن ذات المتفرد هي الموجودة فقط، وأن ما سواها ليس إلا مجرد استكمال المشهد الوجود. قد يبدو هذا المذهب غريباً مع أنه واسع الانتشار ويمارسه الكثيرون منا بوعي أو من دون وعي (المترجم).