너는 진정 전자인을 아는가?

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.