너는 진정 전자인을 아는가?

도서관이란, 글자 그대로 풀이하면 도서를 모아둔 건물이 된다. 도서란 원래 ‘하도락서(河圖洛書)’를 줄인 말로서 《역경(易經)》 <계사전(繫辭傳)>에 있는 “하출도 낙출서 성인측지(河出圖 洛出書 聖人則之)”에서 온 말이라고 한다. 동양에서 도서의 개념은 그림이나 글씨를 비롯한 기록(記錄)에서 시작되었고, 서양에서는 기록을 실은 재료 ·수피(樹皮) ·파피루스 따위 물질의 이름에서 전화(轉化)하여 자료(資料)라는 개념이 생겼다고 한다. 도서관을 자료의 집적(集積), 도서의 보관장소로 생각한다면, 그 기원은 아마 문화의 발상과 거의 맞먹을 만큼 오래 된다. 즉, 문명발상의 고장인 메소포타미아 지방에 있던 바빌로니아의 수도 니폴의 사원(寺院) 자리에서 설형문자(楔形文字)를 새겨넣은 점토판(粘土板)이 발견됨으로써 BC 21세기경의 옛 도서관 자리가 아닌가 추측되고 있다.

또, 1850년 영국의 고고학자 A.H.레이어드의 니네베 발굴에 의하여 고대 아시리아의 아슈르바니팔왕의 도서관 유적이 있었다는 사실이 밝혀졌는데, 여기에는 약 1만 이상의 문서가 있었다고 한다. 고대 이집트에도 이집트 문자를 새긴 많은 점토판이 발견되고 있는데, 라메스 3세의 궁전에는 ‘영혼의 요양소’라고 적은 곳이 있었다는 시칠리아 사가(史家)의 기록이 있다. 고대 그리스에도 BC 수세기부터 원시적인 도서관이 존재하였는데, 정치가 피시트라투스, 수학자 유클리드, 철학자 아리스토텔레스 등은 많은 장서를 가지고 있었다고 한다. 특히 BC 3세기경 프톨레마이오스왕조의 비호 아래 이집트의 알렉산드리아에 건립된 소위 알렉산드리아도서관에는 최성기에 약 70만 권의 장서가 있었다고 한다. 이 무렵의 도서는 나일강(江) 유역에 자라고 있는 파피루스라는 식물(植物)을 종이처럼 납작하게 다져서 만든 것이었다. 그리고 이보다 좀 늦게(BC 3세기∼BC 2세기) 존재했던 소(小)아시아의 페르가몬도서관은 알렉산드리아도서관에 필적하는 대규모의 것이었는데, 이 지방에는 파피루스가 생산되지 않는 데다가 프톨레마이오스왕조가 이집트의 파피루스의 수출을 금지하였으므로, 양피(羊皮)로 된 도서를 간직하였다고 한다.

로마시대에는 볼 만한 도서관이란 거의 없었고, 제왕(帝王) ·귀족 사이에 신분의 상징으로서 도서의 수집이 이루어진 데 지나지 않았다. 그러나 카이사르는 도서관의 중요성을 인정하고 로마에 공공도서관을 건립하도록 제안했다는 문서도 있다(가짜 문서라고도 함). 로마에 공공도서관이 출현한 것은 카이사르의 뒤를 이은 아우구스투스 황제에 의해서였다고 하나, 로마의 사가(史家) 플리니우스에 의하면 로마에 처음으로 공공도서관을 설립한 사람은 G.폴리오라고 한다. 아우구스투스 황제는 로마의 파라틴 언덕에 도서관을 설립하였고, 그 후의 제왕이나 총독들도 이를 본받았으므로 로마제국의 판도에는 각지에 도서관이 세워지고, 시민들은 자유로이 이를 이용하였다. 4세기에는 로마에만도 공공도서관이 28개관이 있었다. 고대의 도서관은 정무(政務) ·제사(祭祀) 등을 행하기 위한 기록보관소적인 성격이 강하였고, 학자 또는 사제에 의하여 관리되었다. 그 후, 게르만민족의 대이동으로 중세 초기에는 도서관이 거의 파괴되었으나, 다시 그리스도교 각파의 수도원이 여러 곳에 세워지면서 종교서적이나 고전(古典) 등이 수집되었다.

따라서 유럽 중세의 도서관은 매우 엄격한 선서(選書)와 결부된 폐쇄적인 것이었다. 중세의 도서관은 도서관이라기보다는 수도문고(修道文庫)의 성격을 띠고 있었는데, 수도원에서의 사본(寫本)사업을 간과해서는 안 된다. 이 사본사업으로 과거의 문화가 보존 ·전승되어 르네상스의 개화에 이바지하였으며, 수많은 고전을 오늘날 우리들이 접할 수 있도록 전하여 왔다. 유럽 각지의 그리스도 교회에는 성직자 양성을 위하여 부속학교가 설립되었는데, 12세기경부터는 이들 부속학교가 분화하여 소르본처럼 교회에서 독립한 대학이 속출하였다. 이러한 대학은 모두 학술연구를 위한 도서관을 두고 문헌의 수집 ·정리를 하고 있었다. 학술 ·전적(典籍)의 동서교류, 수도사(修道士)들의 가두진출, 대학의 발흥, 봉건제도의 퇴조(退潮) 등은 개방적인 사회를 출현시켜 르네상스를 가져왔으며, 인쇄술의 발명, 신대륙의 발견, 합리주의와 과학정신의 대두는 당연히 도서관에도 영향을 끼치게 되었다. K.케스너, G.W.라이프니츠 등의 서지학자 ·도서관인의 노력으로 도서관의 수서범위(收書範圍)는 점차 넓어지고, 큰 도서관의 설립도 잇달아 이루어졌다. 즉, 마자랭도서관 ·프랑스 국민도서관 ·대영박물관(大英博物館) ·바티칸도서관 등이 이 무렵에 생긴 것이다.

미국에는 1731년 B.프랭클린이 회원제 대출도서관인 필라델피아 도서관회사를 설립하였는데, 이것은 근대 공공도서관의 원형으로서 도서관사상 높이 평가되고 있다. 또, 1848년에는 보스턴시(市)에 세금으로 유지되는 공공도서관이 설립되고, 54년에는 처음으로 시민 전체에 무료로 개방하는 공공도서관이 출현하게 되었다.

전자는 소립자 중에서 가장 오래 전부터 알려져 있던 것으로, 19세기 말 음극선(陰極線) 입자로서 발견되었고, 그 후 모든 물질의 구성요소임이 확인되었다. 정지질량은 9.107×10^-28g이고, 전하는 -1.602×10^-19C=-4.8023×10^-10esu를 보이며, 1/2의 스핀 양자수(量子數)를 가진다. 이 밖에 반입자(反粒子)로서 양전하를 가진 전자가 존재하는데, 이것은 음전자(negatron)에 대하여 양전자(positron)라고 한다.




전자의 존재를 발견한 것은 J.J 톰슨(Thomson, Joseph John)의 음극선 실험을 통해서이다.



톰슨이 전자의 존재를 발혀내기 전에 원자보다 작은 입자가 존재함을 밝히는 증거는 원자나 분자에 미치는 강한 전기장의 영향을 연구하는 과정에서 나왔다. 유리관내의 전극판 사이에 기체를 넣고 큰 전압을 걸어주면 기체를 통하여 전류가 흐른다. 이 현상은 번개가 공기를 가르며 방전하는 것과 같이 전기장이 원자를 쪼개어 전하를 전달할 수 있는 무엇인가를 만들었음을 나타낸다. 전류의 세기는 유리관 안의 기체의 양에 비례하지만, 기체를 전부 제거하더라도 흐르는 전류의 값이 0이 되지 않는다. 이 사실을 통해 전류가 금속판에서 발생하였다는 것을 알 수 있다. 음극선(cathode rays 또는 beta rays)이라 불리는 전류가 흐를 수 있게 하는 운반체는 직진하며, 유리관에 부딪히는 부분에서 빛을 내었다. 그 당시 어떤 학자들은 음극선을 눈에 보이지 않는 빛의 한 형태라고 믿었고, 또 다른 학자들은 음극선을 음으로 하전된 어떤 입자들의 흐름이라고 믿었다.

톰슨은 실험을 통해 음극선이 전자(electron)라 불리는 음으로 하전된 입자의 흐름이라는 것을 증명하여 음극선에 대한 논쟁을 끝내었다. 톰슨의 실험에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다. 그림에서 보듯이 진공상태인 유리관에서 음극선이 발생된다. 또한 양극판의 구멍을 통해 음극선이 편향극판으로 진행하도록 하였다. 편향극판은 플러스와 마이너스로 하전되어 음극선의 진행방향에 수직으로 전기장을 걸 수 있도록 한다. 이 때 음극선은 편향극판에서 전기장의 힘을 받아 휘어지게 되고 그 휘어진 정도는 형광스크린을 통해서 알 수 있다. 이 실험 결과 음극선은 음으로 하전된 미지의 질량을 가진 입자의 흐름이라는 것을 알 수 있었다. 또한 뉴턴의 운동 제 2법칙을 이용하여 음극선을 이루는 입자인 전자의 전하대 질량비를 계산할 수 있었다.

톰슨의 실험을 통해 알 수 있는 것은 음극선이 음으로 하전된 입자의 흐름이라는 사실과 그 입자인 전자의 전하-대-질량비만을 알 수 있었다. 전자의 전하량과 그 질량은 1906년 미국의 물리학자인 밀리칸(Robert Millikan)과 그의 제자인 플레처(H.A. Fletcher)의 실험을 통해 측정되었다. 그림에서 보듯이 미세한 기름 방울이 전자들이나 공기중의 이온화된 기체분자들과 충돌하여 전하를 띠게 된다. 전기장이 형성된 두 전극판 사이에 있는 하전된 기름 방울은 두 종류의 서로 반대방향의 힘을 받게 된다. 중력에 의한 힘은 기름방울을 낙하하도록 하고, 전기장에 의한 힘은 기름방울을 위로 올라가도록 한다. 전기장의 세기를 조절하여 중력과 전기력에 의한 힘이 균형을 이루도록 하여 기름방울이 공중에 정지하도록 한다. 그 후 전기장을 제거하고 공중에 정지해 있던 기름방울의 낙하속력을 측정하고 그 기름방울의 각각의 질량을 측정한다. 이 결과를 통해 기름방울의 전하량을 측정할 수 있었다.

밀리칸은 이렇게 측정된 전하량의 값이 언제나 기본전하의 정수배임을 알아내었다. 그는 다른 기름방울들이 전자 하나의 전하량이라 생각되는 이 기본전하량의 정수배를 운반한다고 이 실험 결과를 설명하였다.

이를 통해 전자의 기본 전하량이 밝혀졌고, 동시에 전자의 질량이 밝혀졌다.