수소의 여러가지 원자 오비탈. 색이 진할 수록 전자가 발견될 확률이 높다.
전자(Electron)는 음전하를 가지고 있는 기본 입자로서 원자의 구성 성분이기도 하다. 가장 먼저 발견된 기본 입자이자 가장 잘 알려진 기본 입자이며, 또한 가장 중요한 기본 입자이다. 지구 중력에 의한 현상을 제외하고 우리 주변에서 일어나는 거의 모든 현상에는 전자가 핵심적으로 관여하고 있다. 기호로는 e 또는 e⁻로 표기한다. 입자물리학의 표준 모형에서 전자 중성미자와 함께 1세대 렙톤(lepton, 경입자)을 이룬다. 표준 모형에 따르면 전자는 더 작은 입자로 쪼개지지 않고 그 자체로 가장 근본적인 입자이며 내부 구조가 없는 점 입자이다.
전자는 스핀이 ½인 페르미온이고 전하는 음(-)의 기본전하량인 -e (= -1.602176565(35)×10⁻¹⁹ C)이다. 질량은 9.11 x 10⁻³¹ kg(=0.511 MeV/c²)인데, 이는 전하를 가진 입자 중에서 가장 가벼운 질량이다. 그러므로 절대적으로 안정하여 수명이 무한대이며 다른 입자로 붕괴하지 않는다. 이러한 사실 때문에 현재 우리 우주에서 원자의 주요 구성 성분으로 가장 중요한 역할을 하고 있는 것이다. 전자는 네 가지의 근본적인 힘 중에서 중력, 전자기력, 약력은 작용하지만 강력은 작용하지 않는다.
전자의 반입자로 양전자가 있으며 e⁺로 나타낸다. 양전자는 전자와 전하만 반대(+e)이고 질량과 스핀은 같다. 전자와 짝을 이루는 1세대 렙톤으로 전자 중성미자가 있으며 νₔ 로 나타낸다.
역사
전자는 1897년에 영국의 물리학자 톰슨(Joseph J. Thomson, 1856-1940)이 발견하였다. 이것은 모든 기본 입자 중에서 가장 이른 발견이다.
1860~1870년대에 진공관 안의 뜨거운 필라멘트에서 빛을 내는 흐름이 발견되었다. 이를 음극선이라고 불렀으나 정체가 밝혀지지 않는 채 파동이라는 주장과 입자라는 주장이 대립되어 있었다. 이러는 가운데 톰슨이 실험을 통해 음극선이 입자의 흐름임을 알아내었다. 또한 음극선은 전기장이나 자기장에 의해 휘는데, 그 휘는 정도가 음극선을 만들어내는 물질의 종류와 무관하게 일정하였다. 톰슨은 이를 통해 음극선의 전하(e)와 질량(m)의 비 즉, e/m을 구할 수 있었고 이 값은 기존에 알려진 원자나 분자보다 수천 배가 큰 값이었다. 이는 음극선을 구성하는 입자의 전하가 매우 크거나 질량이 매우 작음을 의미한다. 톰슨은 공기 중에서 음극선의 이동 거리, 음극선에서 나오는 열 등에 대해 연구한 뒤 이 입자의 질량이 수소원자 질량의 1/1000 이하로 작다는 결론을 내리고 이 입자가 기존에 발견되지 않은 새로운 입자이며 원자의 구성 성분일 것이라고 주장하였다. 톰슨의 실험적 발견 전에 전자(electron)라는 이름의 가상적인 입자가 연구된 적이 있었기 때문에 톰슨이 발견한 입자의 이름도 자연히 전자로 명명되었다. 톰슨은 이 공로로 1906년에 노벨 물리학상을 수상하였다.
톰슨의 실험을 통해 e/m은 알 수 있었지만 e나 m을 각각 정확히 알아낼 수는 없었다. 1909년에 미국의 밀리컨(Robert A. Millikan, 1868-1953)과 ~[플레처(인명)|플레처](Harvey Fletcher, 1884-1981)]]는 기름방울 실험을 통해 전자의 전하량을 0.3%의 오차로 측정할 수 있었다. 이를 통해 전자의 전하와 질량이 밝혀졌다. 밀리컨은 이 공로로 1923년에 노벨 물리학상을 수상하였다.
중요성
한 마디로 말해 인류가 지금까지 이룩한 거의 모든 과학적 업적은 전자와 전자기력을 이용한 것이다. (핵무기나 핵발전소 등 원자핵을 이용한 것은 예외이다.)
전자는 양성자, 중성자와 더불어 원자의 주요 구성성분이다. 중성 원자에는 같은 수의 양성자와 전자가 있고 양성자가 전자보다 2000배 정도 무겁기 때문에 질량으로 보면 원자에서 전자가 차지하는 비중은 1/2000이 채 되지 않는다. 따라서 원자들이 모여 어떤 물질을 만들면 전자에 의한 질량은 무시할 수 있다. 그러나 한편으로 전자는 가볍기 때문에 이동이 비교적 자유롭다. 그래서 원자들 몇 개가 모여 분자를 구성할 수 있다. 이때 원자들의 결합에 중요한 역할을 하는 것이 전자이다. 언제 어떤 상황에서 어떻게 원자들이 결합하고 분리되는지는 양자역학으로 이해할 수 있는데 이것은 근본적으로 전자가 전하를 가지고 있어서 전자기적 상호작용을 하기 때문에 일어난다. 그림1은 수소 원자에서 양자역학적인 전자의 확률 분포를 나타낸다. 사람 자신을 포함하여 우리 주변에서 보는 대부분의 물질이 수많은 원자들이 모여 이루어져 있는데 이들을 결합시키는 역할을 하는 것이 바로 전자들의 전자기력이라는 말이다. 구체적으로 원자들이 어떻게 결합하는지, 분자의 성질이 어떤지를 연구하는 학문을 화학이라 한다.
또한 전기를 사용할 때 전류가 흐른다는 말을 하는데 이때 실제 도선 안에서 움직이는 것은 전자이다. 그런데 전자는 음(-)전하를 띠고 있으므로 전자가 움직이는 방향과 전류의 방향은 반대이다.
참고자료
- 〈전자〉, 《물리학백과》
- 〈전자〉, 《위키백과》
같이 보기
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