전자
다른 표기 언어 electron , 電子
요약
전자는 과학에서 알려져 있는 가장 가벼운 하전입자이다. 전기량이 항상 어떤 단위전하의 배수로 나타난다고 하는 사고방식은 물질이 원자로 구성되어 있다고 하는 생각과 밀접하게 결합되어 있다.
1833년 M. 패러데이가 행한 전기분해 실험에서는 용액 속을 흐르는 전기량 1쿨룸 마다 일정량의 물질이 석출된다는 것이 밝혀졌는데, 이 실험은 물질을 구성하는 각 원자는 그 원자가와 같은 전하에 상당하는 수의 전자를 운반한다는 것을 보인다. 반세기 후에 G. J. 스토니는 패러데이의 원자론적 해석에 주의를 돌려 전기의 기본량을 나타내기 위해서 전자라는 말을 처음으로 도입했다. 1897년경 J. J. 톰슨의 연구와 그 후에 나온 여러 연구는 입자설이 옳다는 것을 뒷받침했다. 이후 이루어진 광범위한 연구로 오늘날의 전자로 불리는 입자가 모든 원자의 구성요소라는 것은 거의 분명한 사실로 밝혀졌다.
목차
접기-
자유전자의 비전하량
-
전하의 측정
-
구조
전자는 과학에서 알려져 있는 가장 가벼운 하전입자이다. 전기량이 항상 어떤 단위전하의 배수로 나타난다고 하는 사고방식은 물질이 원자로 구성되어 있다고 하는 생각과 밀접하게 결합되어 있다. 1833년 M. 패러데이가 행한 전기분해 실험에서는 용액 속을 흐르는 전기량 1C(쿨롬)마다 일정량의 물질이 석출된다는 것이 밝혀졌는데, 이 실험은 물질을 구성하는 각 원자는 그 원자가와 같은 전하에 상당하는 수의 전자를 운반한다는 것을 보인다.
반세기 후에 G. J. 스토니는 패러데이의 원자론적 해석에 주의를 돌려 전기의 기본량을 나타내기 위해서 전자라는 말을 처음으로 도입했다.
가장 가벼운 원자보다 더 질량이 적은 입자의 존재에 관한 최초의 가정은 진공관 내에서 방전할 때 발생하는 음극선의 연구로부터 얻어졌다. 19세기말에 이 방사선이 파동인가 미립자의 흐름인가에 관한 논쟁이 일어났다. 그러나 1897년경 J. J. 톰슨의 연구와 그후에 나온 여러 연구는 입자설이 옳다는 것을 뒷받침했다(→ 톰슨). 광범위한 연구에서 얻어진 결론은 이 입자가 모든 동일한 비전하량(전하와 질량의 비)을 가지고 있으며, 그 질량은 수소원자의 1/1,837이라는 것이었다.
이렇게 해서 이 입자, 즉 오늘날의 전자가 모든 원자의 구성요소라는 것은 거의 분명한 사실로 밝혀졌다. 1932년 C. D. 앤더슨은 전자와 동일한 비전하량을 지닌 양전하의 입자를 관측했다고 발표했다. 이것은 양전하를 가진 전자, 즉 양전자로 알려지게 되었다. 양전자가 고립된 상태로 생성되는 일은 우주선(宇宙線) 현상이나 고에너지 가속기 같은 상당히 격렬한 과정에서만 나타난다. 양전자도 전자와 함께 물질의 구성요소 역할을 하고 있다는 것은 분명하다. 1927년 전자선의 회절에 관한 실험이 발표되어 전자선이 X선과 똑같이 행동한다는 것이 밝혀졌다. 그 결과 음극선이 파동인가 입자인가에 관한 20세기초의 논쟁이 또다시 일어났다. 이 모순은 양자역학의 이론에 의해서 해결되었다. 최종적인 결론에 의하면, 전자 같은 기본적인 물질은 단순히 입자나 파동 하나라고 말할 수 없다는 것이다. 전자는 그 자체의 성질과 여러 가지 조건하에서의 행동에 따라 정의되고 기술되지 않으면 안 된다. 전자의 주요한 성질로서는 전하·질량·파장·스핀 등을 들 수 있다.
자유전자의 비전하량
전자는 전기장 내에서 힘을 받는데, 이 힘은 전자의 전하를 알면 결정할 수 있다. 따라서 전자가 전기장 내에서 받는 가속도를 사용해서 그 질량을 측정할 수 있다. 직접 측정되는 양은 비전하량, 즉 음극선 속의 입자가 지닌 전하의 질량에 대한 비이다. 이 측정치가 아주 정확하게 측정될 수 있다는 사실은 음극선 속의 전자가 모두 동일한 비전하량을 가지고 있다는 것을 보여준다.
이 사실과 전기 기본량이 존재한다는 생각을 결합하면 전자가 모든 원자의 기본적인 구성성분이라는 결론이 나온다. 전자의 비전하량은 1890년에 이미 A. 슈스터가 전기장과 자기장 속에서의 음극선의 행동에 대한 관측을 통하여 대강 계산한 바 있다.
더욱 정확한 측정은 톰슨에 의해서 1895년에 행해졌는데, 그후 50년 동안 이 중요한 양을 정밀하게 측정하는 방법이 많이 개발되었다. 각각의 측정장치는 세부적인 면에서는 다르지만 일반적인 원리는 같다. 모든 측정방법에 기초하여 얻어진 가장 정확한 비전하량은 1.7589×107emu(전자기 단위), 즉 1.7589×1011C/㎏이다.
전하의 측정
전자의 전하를 측정하는 가장 직접적인 방법은 다른 전하가 전자에 미치는 힘을 측정하는 것이다. 다른 전하가 2개의 평행한 도체판 위에 적당하게 분포해 있을 경우, 힘은 측정하려고 하는 전하에 비례하며 동시에 2개의 판 사이의 중앙 부근에서는 어떤 장소에서도 같은 크기와 방향을 가진다. 따라서 R. A. 밀리컨이 사용한 장치는 작은 기름방울의 전하를 측정하는 데 적합하다(→ 밀리컨). 2개의 황동 원판이 1만V의 전지에 의해서 충전되는데, 원판 사이의 전기장은 이 전위차를 원판 사이의 거리로 나눈 것과 같다.
전기장의 방향은 스위치에 의해서 역전될 수 있기 때문에, 하전된 기름방울을 중력의 반대로 상승시키거나 자유낙하하는 것보다 더 빨리 낙하시킬 수 있다. 또한 원판을 단락함으로써 전기장을 없앨 수도 있다. 원판은 진공으로 된 통 속에 밀폐되어 있고, 통은 일정한 온도를 유지하기 위해서 기름 속에 잠겨 있다. 분무기로 원판 위쪽의 공간 내에 기름을 집어넣으면 기름방울의 안개가 형성된다. 그중에서 몇 개의 방울이 위의 원판의 작은 구멍을 통해서 천천히 낙하하여 전기장으로 들어온다. 이 기름방울들은 강한 아크등의 빛을 받기 때문에, 원판 중앙부에 조준된 망원경 속에서 별이 빛나는 것처럼 보인다. 원판을 단락하면 전기장은 사라지고 모든 기름방울은 중력에 의해서 낙하하는데, 잔류기체가 점성유체로서 작용하기 때문에 기름입자는 각각의 무게에 비례하는 속도로 낙하한다.
전기장을 걸어주면 음이나 양 한쪽의 전하를 가진 것은 낙하속도가 느려지거나 상승하는데, 그와 반대의 전하를 가진 것은 낙하속도가 빨라진다. 무거운 기름방울부터 차례대로 시야 밖으로 떨어져가기 때문에, 마지막에 남은 단 하나의 입자가 전기장에 의한 상승과 중력에 의한 낙하를 되풀이하는 것을 관찰할 수 있다. 더 나아가서 그 상이 망원경의 접안 렌즈 속에 있는 2개의 십자선 사이를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하여, 그것이 상승하거나 낙하하는 속도를 직접 결정할 수 있다.
이 속도들로부터 전하의 크기를 계산하는 자료가 얻어졌으며, 모든 전하는 전자의 기본전하량의 정수배라는 것이 직접 증명되었다. 또한 기름방울 실험은 전자의 실제 전하량을 직접 측정하는 데도 적합하다. 이를 위해서는 기름방울의 운동에 대한 공기의 점성저항을 결정하는 방법이 필요하다. 점성매질 속에서 공의 낙하속도에 관한 법칙은 1850년 G. G. 스토크스에 의해서 유도되었다(→ 스토크스의 법칙). 이 법칙에 의하면 기름방울의 낙하속도는 그 반지름·밀도·매질인 기체의 점성도에 의해서 계산할 수 있다.
그러므로 낙하속도, 기름의 밀도, 공기의 점성도가 밝혀지면 기름방울의 반지름이 결정되고, 이것으로부터 기름방울이 상승하고 있을 때의 저항의 크기가 결정된다. 여러 가지 방법에 의해서 현재까지 얻어진 가장 정확한 전자의 전하값은 4.80325×10－10esu(정전기 단위), 즉 1.60219×10－19C이다.
구조
전하 e를 둘러싸고 있는 반지름이 R인 공의 바깥쪽에서, 전기장이 지닌 전체 에너지는 e2/2R이다. 만일 이 에너지가 전자질량원이고, 따라서 mc2과 같다고 하면 R〓e2/2mc2이 된다. 전자의 반지름은 이 R의 값 1.4×10－13㎝보다 작지 않다. 만일 작다면 전자질량에 의해서 설명가능한 질량 이상의 질량이 전기장에 존재하게 된다.
알파 입자나 원자핵에 대해서 행해지는 것과 같이 전자의 반지름은 전자 상호간의 충돌을 관측하여 실험적으로 측정할 수도 있다. 만일 2개의 전자가 mc2의 값을 충분히 넘는 에너지를 가지고 서로 다가간다면 이 두 전자는 충돌할지도 모른다. 그결과 전자 상호간에 작용하는 힘인 단순한 역제곱 법칙이 더이상 성립하지 않게 되는 최소거리에 관한 정보가 얻어질 수 있다.