شحنة أولية
الشحنة الأساسية ويرمز لها formula_1، وهي شحنة كهربائية يحملها بروتون مفرد، أما الشحنة الأساسية السالبة فيحملها إلكترون مفرد. وكلاهما متساويان وهي ثابت فيزيائي أساسي، تختلف أشارتها للإلكترون عن البروتون. ولتجنب الارتباك في الرمز، فإن formula_1 تسمى أحيانا "شحنة أساسية موجبة". ولها قيمة تعادل .
عينت معمليا.
قيمتها في نظام الوحدات سنتيمتر-جرام-ثانية تساوي = ..
الفرق بين الإثنين أن "الستات كولوم" statcoulomb أكبر من الكولوم بعشرة أضعاف سرعة الضوء .
جرى العرف على استخدام الكولوم كوحدة للشحنة الأساسية formula_1 ،
أي الشحنة الاساسية =.
تم قياس مقدار الشحنة الأساسية لأول مرة بواسطة روبرت ميليكان في تجربة قطرة الزيت سنة 1909 .
تعرف تكمية الشحنة بأنها بيان حالة لجسم ما يكون مستقر وحر (المقصود بجسم ما أن بإمكانه الظهور بشكل حر لفترة طويلة من الزمن) ولديه شحنة تكون من مضاعفات العدد الصحيح للشحنة الأولية formula_1: وتكون الشحنة 0 أو formula_1 أو formula_6 ومضاعفاتها مثل formula_7 أو formula_8 إلى آخره. ولكن لا يوجد في الطبيعةformula_9، أو كسور منها مثل formula_10 أو formula_11.
لا يشمل ذلك الكواركات، إذ لا تملك الكواركات القدرة على البقاء من تلقاء نفسها لفترة طويلة من الزمن. وتتكون شحنة الكواركات من مضاعفات صحيحة ل formula_12.
وهذا هو سبب تسمية المصطلح "شحنة أولية" وهي شحنة الإلكترون : وهي تعني أنها وحدة غير قابلة للانقسام.
استثنيت حالتان من شحنات أولية غير قابلة للانقسام: الكواركات وأشباه الجسيمات
جميع الجسيمات الأولية -ومنها الكواركات- لديها شحنة تكون من المضاعفات الصحيحة ل formula_12. لذا يمكن للمرء أن يقول بأن "كم الشحنة" هي formula_12 في تلك الحالة، يمكن القول أيضا بأن "الشحنة الأولية" هي أكبر بثلاث مرات من "كم الشحنة" quantum of charge.
من جانب آخر، فإن جميع الجسيمات القابلة للعزل لديها شحنات تكون من المضاعفات الصحيحة لformula_1. (لا يمكن عزل الكواركات، فهي مكونات البروتونات (والنيوترونات) حيث للبروتونات شحنة إجمالية من المضاعفات الصحيحة لformula_1.). بقي الاصطلاح على اعتبار أن formula_1 هي الشحنة الأساسية. وهي شحنة الإلكترون وكذلك الشحنة الإجمالية للبروتون .
إذا كانا كل من ثابتي أفوجادرو formula_22 وفاراداي formula_23 معروفان على حدة، فبالإمكان استخلاص قيمة الشحنة الأولية، وذلك باستخدام المعادلة التالية:
لكن عمليا، تلك الطريقة ليست الأكثر دقة لقياس القيم في الوقت الحالي. فبدلا من حساب formula_1 من formula_23 وformula_22، فإن formula_22 تحسب من formula_23 وformula_1، بينما تقاس formula_1 بشكل منفرد بطريقة أخرى. مع ذلك تبقى تلك المعادلة منطقية ومقبولة ودقيقة نوعا ما.
التجارب المنهجية مشروحة بالأسفل:
يمكن قياس قيمة formula_23 مباشرة باستخدام قوانين فرداي للتحليل الكهربائي. فتلك القوانين هي علاقات كمية على أساس الأبحاث الكهروكيميائية التي نشرها مايكل فاراداي سنة 1834. في تجربة التحليل الكهربائي، هناك تطابق واحد إلى واحد بين الإلكترونات المارة خلال انبوب أنود إلى الكاثود والأيونات التي على اللوحة أو الخارجة من الكاثود أو الأنود. فيقاس اختلاف الكتلة للأنود أو الكاثود، والشحنة الكلية خلال الإنبوب (والتي يمكن قياسها كزمن صحيح للتيار الكهربائي) ويؤخذ بالاعتبار الكتلة المولية للأيون، فنستنبط formula_23 من إحداهما.
أول من قرب من قيمة ثابت أفوجادرو formula_22 كان يوهان جوزيف لوشميدت في سنة 1865، والذي قدر متوسط قطر من الجزيئات في الهواء بطريقة مساوية لحساب عدد الجسيمات لحجم معطي من الغاز.
حاليا، يمكن قياس قيمة formula_22 بشكل دقيق جدا وذلك عن طريق كريستال نقي جدا (عادة يكون السيليكون)، ويقيس مدى تباعد حيز الذرات عن بعضها بواسطة استخدام حيود الأشعة السينية ويقيس بدقة كثافة الكريستال. بواسطة تلك المعلومات، بإمكان المرء أن يستنبط الوزن (بالغرام) للذرة المفردة; وبما أن الكتلة المولية معطاة، إذن فيمكن حساب عدد ذرات المول الواحد.
تجربة ميليكان لقطرة الزيت هي من أشهر الطرق لقياس شحنة formula_1. وذلك بتحريك نقطة صغيرة من الزيت في مجال كهربائي بمعدل يوازن قوى الجاذبية، واللزوجة (عند مروره خلال الهواء)، والقوة الكهربائية. يمكن حساب تلك القوى خلال الجاذبية واللزوجة حسب كمية وسرعة قطرة الزيت، فمنها يمكن استنباط القوة الكهربائية. بما أن القوة الكهربائية هي نتاج الشحنة الكهربائية ومجال كهربي معطى، فيمكن حساب الشحنة الكهربائية لقطرة الزيت بدقة تامة. نجد عند قياس الشحنة لقطرات زيت مختلفة، أن الشحنات كلها هي مضاعفات صحيحة لشحنة صغيرة مفردة تسمى الشحنة الأولية formula_1.
أي تيار كهربائي سيقترن مع ضوضاء آتية من مصادر متعددة. إحدى تلك المصادر هي ضوضاء قذفية، ويعود ذلك إلى أن مسألة تدفق التيار ليس بالتدفق المستمر السلس، بل يحتوي على الكترونات متناثرة وغير مترابطة تمر في وقت واحد. وبتحليل دقيق للضوضاء، فإنه يمكن حساب شحنة الإلكترون. تلك الطريقة تعطي قيمة الشحنة formula_1 دقيقة بنسبة بسيطة.
تعتبر أكثر الطرق دقة لقياس الشحنة الأولية بالوقت الحالي هي عن طريق استنتاجها من قياس تأثيرين في ميكانيكا الكم وهما: تأثير جوزيفسون، وهو تذبذب التيار الكهربائي الذي ينشأ في بنية موصلية فائقة; وتأثير هول الكمي، وهو تأثير كمي للإلكترونات في درجات حرارة منخفضة ومجال مغناطيسي عال ويحجز بين بعدين.
ثابت جوزيفسون هو:
ثابت فون كليتزنج هو
ويمكن قياسها مباشرة باستخدام تأثير هول الكمي.
يمكن استنباط الشحنة الأولية من الثابتين وذلك بالمعادلة: