전자의 발견

1897년 최초의 아원자 입자인 전자가 발견되었습니다. 원자에서부터 소립자까지 기본적인 힘들을 통해 상호작용하는 것이 모든 물질들의 본질입니다. 원자, 전자 그리고 소립자 등의 물질의 구조를 이해함으로써, 우주에서 일어나는 모든 현상을 설명할 수 있습니다. 오늘은 물질의 구조를 이해하기 위해 원자 내부의 전자 발견, 그리고 양전자와 핵에 관해 포스팅해 보겠습니다.

 

 

원자 내부의 전자 발견

그리스의 철학자 데모크리토스는 기원전 4세기 무렵에 모든 물질들은 아주 작은 입자들로 구성돼 있을 것이라고 추측했지만, 이 원자들의 실체는 18세기와 19세기에 지속된 연구 결과로 명백해졌습니다. 1860년대 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프는 서로 다른 원소들을 그 질량과 화학적 반응성에 따라 배열한 독창적인 체계를 고안했는데 그것이 바로 우리가 화학시간에 배우는 주기율표입니다.

 

그러나 원자 내부의 입자들을 발견하고 나서야 과학자들은 비로소 왜 서로 다른 원소들이 그들만의 방법으로 반응하는지를 이해할 수 있었습니다. 이 입자들 중 최초의 입자인 전자는 1897년 영국의 물리학자인 조지프 존 톰슨에 의해 발견됐습니다. 이 가벼운 입자는 음전하를 운반했는데 톰슨은 가열된 전극에서 방출되는 음극선 안에서 전자를 발견했습니다. 곧 특정 원자가 갖는 전자의 개수가 그 원자의 반응성과 관련 있다는 것이 명백해졌습니다. 즉 전자의 교환이나 공유를 통해 화학 결합이 일어나고, 개별 원자에 전자가 추가되거나 제거되는 과정을 통해 전하를 띄는 이온이 만들어집니다.

 

양전하와 핵

그러나 전자는 음전하를 운반하고 원자는 본질적으로 중성이므로, 원자의 양전하는 어디에 있는가가 그다음 질문이었습니다. 잠깐 동안 톰슨의 '건포도를 넣은 푸딩' 모형이 대세를 이루었는데, 이 모형은 전자들이 양전하의 덩어리 안에서 자유롭게 떠다닌다고 설명했습니다. 그러나 1909년 뉴질랜드의 물리학자 어니스트 러더퍼드와 그의 동료들은 방사성 입자들을 얇은 금박에 쏘는 실험을 통해 대부분의 입자들은 금박을 통과하지만 아주 드물게 한 개 정도가 도로 튀겨 나온다는 사실을 보여 주었습니다. 이로부터 그들은 원자는 전체적으로 텅 빈 공간이며, 그 질량과 양전하의 대부분은 중심부의 핵에 집중돼 있고, 전자가 그 주위를 돈다고 생각하게 됐습니다. 1932년까지 핵은 (전자와 크기는 동일하고 종류는 반대인 전하를 가지며, 그 결과 전체 원자를 전기적으로 중성으로 만들어 주는) 양성자와 (양성자와 질량은 동일하고, 개수도 대체로 동일하지만 전하를 띄지 않는 입자인) 중성자로 구성돼 있는 것으로 알려졌습니다.

 

1913년 덴마크의 물리학자 닐스 보어는 전자기 복사에 대한 새로운 아이디어를 원자 구조의 문제에 적용했고 그 결과 전자가 핵으로부터 고정된 거리에 위치한 특정한 껍질 모양의 '궤도'에 위치한다면 각 원소의 독특한 방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼이 설명될 수 있음을 보여 주었습니다. 따라서 각 전자는 원자 내부에서 특정한 에너지 레벨을 가질 것입니다. 전자가 특정한 파장의 광자를 통해 에너지를 흡수하면 더 높은 궤도로 이동하게 되고, 반대로 더 낮은 궤도로 이동하게 되면 특정한 광자의 형태로 에너지를 방출합니다. 1925년 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리는 동일한 양자적 성질을 띤 전자들은 동일한 체계 내에 동시에 존재하지 못한다는 배타 원리로 궤도의 기원을 설명했습니다.

 

오늘은 전자의 발견에 대해 포스팅해 보았는데 어떠셨나요? 저는 우리가 과학 시간에 배우는 원자, 전자등의 물질의 구조가 약 125년 전에 발견됐다는 사실에 놀랐습니다. 생각보다 얼마 안 됐다고 생각이 드는데 여러분은 어떠신가요? 다음 포스팅에서는 '입자 동물원 그리고 풀리지 않은 의문점'에 관해 포스팅해 보겠습니다. 좋은 하루 되시기 바랍니다.

 

 

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입자 동물원 그리고 풀리지 않은 의문점