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전자(electron )

소립자(素粒子)의 하나. 양성자(陽性子 ; 수소의 원자핵)의 약 1/1,840의 질량 인데, 양성자의 전하(電荷)와 크기가 같고 부호가 반대인 음전하(陰電荷)를 가진다.


중성(中性)인 원자의 중심에는 원자질량의 대부분을 가진 아주 작은크기의 원자핵(原子核)이 존재하는데, 그 둘레를 원자번호와 같은 수의 전자가 운동하며 핵의 양전하(陽電荷)를 상쇄한다.


이와 같은 원자의 모양이 확립된 것은 E. 러더퍼드에 의한 원자핵의 발견과, 그에 이어 1910년대부터 20년대에 걸친 양자역학(量子力學)의 성립에 의해서이다.


전자의 존재는 진공방전(眞空放電)에서의 음극선(陰極線)의 연구에 의해 확립되었다.


1836년에 M. 패러데이가 진공방전을 연구하기 시작한(1836) 이후 19세기 중엽 독일의 물리학자 · 수학자인 J. 플뤼커가 스스로 고안한 방전관(放電管)으로 본격적인 연구를 한 끝에 음극에 가까운 유리벽이 형광을 방출한다는 것을 발견했는데, 그것은 일종의 복사선이 음극에서 나오기 때문에 생긴다고 생각하고, 그 복사선이 자석의 작용으로 구부러진다는 것도 발견했다.


19세기말에 J. J. 톰슨과 H. A. 로렌츠 등은 그 음극선의 존재를 전자라는 입자의 흐름이라고 확정했다.


톰슨은 회전거울을 사용해 음극선의 빠르기를 결정했는데, 그것이 전자기파(빛)가 전파하는 빠르기의 1/100 이하임을 제시함으로써 음극선이 에테르(전자기파의 매체)의 진동이라는 설을 부정했다(1894).


95년 J. B. 페랭은 음극선을 패러데이 금속상자 속에 주입할 수 있는 장치를 고안해 그 상자가 음으로 대전하는 것을 보고 음극선이 음전하를 띤 입자임을 밝혔다.


톰슨은 음극선이 음전하를 가진 입자로 이루어졌다고 가정하고 입자의 비전하(比電荷) e/(여기서 e는 입자의 전하의 절대값, 는 질량)를 측정했는데, 수소이온의 비전하의 약 1,000배나 되는 큰 값을 얻었다.


그 후 전하 e 그 자체를 측정, 수소이온의 전하와 대략 같은 값임을 알았다.


이로써 음극선의 입자는 원자보다 훨씬 작은 질량을 갖는다는 것이 밝혀졌다.


P. 제만은 나트륨 불꽃을 자기장 사이에 두면, 스펙트럼의 D선이 퍼진다는 것을 발견했다(1896).


이 현상에 대한 로렌츠의 설명은 다음과 같다.


원자 안에 가벼운 이온이 있어, 원자 안을 지배하는 힘의 법칙에 따라 주기운동(週期運動)을 하는데, 그 진동수를 가진 빛을 방출한다.


여기에 외부로부터 자기장이 가해지면, 음극선 입자가 받는 것과 같은 종류의 힘을 가벼운 이온이 받아 운동의 진동수가 바뀌고, 그 결과 원자로부터 방출되는 빛의 스펙트럼선이 분리된다는 것이다.


로렌츠는 가벼운 이온의 비전하 e/m,(e는 가벼운 이온의 전하의 절대값, m는 그 질량)와 밖으로부터 건 자기장 크기와의 곱에 비례한 양만큼 어긋난 진동수가 더욱 가해진다는 것을 보여 주었다.


제만은 이에 따라 비전하를 실험에 의해 결정했다.


그 후 로렌츠는 빛의 굴절률에 관한 자신의 이론으로부터 /m를 구하고 제만의 측정값과 합쳐 e와 m를 따로따로 정해, 이들 값이 톰슨이 얻은 값과 정성적(定性的)으로 일치한다는 것을 보여 주었다.


이로써 원자 안에서는 질량의 작은 부분을 차지하지만, 원자로부터의 빛의 방출이나 원소의 화학적 · 물리적 성질을 결정하는 데 중요한 역할을 하는 새로운 실체로서 전자의 존재가 명확해졌다.


〔방사능과 β선〕 1896년 A. H. 베크렐은 우라늄화합물이 밖으로부터의 여기(勵起) 방사선을 내는 현상으로써 방사능을 발견한 데 이어, 방사선 중 비교적 투과력이 큰 전하를 가진 선이 음극선 입자와 같은 것임을 확증했다(1900).


이 전자(또는 그 반입자〈反粒子〉인 양전자〈陽電子〉)는 핵외전자(核外電子)가 아니고 핵을 구성하는 중성자나 양성자가 전화(轉化)할 때 수반되는 것이다(예컨대 중성자→양성자+ 전자+중성미자〈中性微子〉).


1932년에 중성자가 발견되기 이전에는, 원자핵이 양성자와 전자의 결합상태이며, 그 전자가 β선으로 방출되는 것으로 생각했는데, 실험사실과 결정적 모순을 낳고 있었다.


〔전자의 성질〕 1928년 P. A. M. 디랙은 전자가 따르는 상대론적 파동방정식을 제시하고 전자의 반입자인 양전자의 존재를 예언했으며, 4년 후에 실험으로 확인했다.


이 이론에 의하면 전자는 고유의 각운동량(角運動量) /2( =h/2π , h는 플랑크 상수), 자기(磁氣) 모멘트의 크기 /(2c) – 이것을 보어 마그네톤 또는 보어 자자(磁子)라 부르고 μ라 쓰는 경우가 있다.


c는 진공 속의 광속 – 를 가진다.


그런데 후자의 실험값은 〈표〉에 나타낸 것처럼 근소하게 어긋나 있다.


이 어긋남, 즉 이상자기(異常磁氣) 모멘트는 전자가 광자(光子)의 구름으로 둘러싸여 있다는 양자역학적인 효과에 의한 것으로 이해되는데, 양자전자역학에 따른 계산 결과와 매우 비슷하다.


이 계산에서는, 전자는 폭을 갖지 않은 점입자(點粒子)로 간주되므로 이론값과 실험값이 비슷하다는 것은 전자가 〈표〉에 나타난 콤프턴 파장에 비해 아주 작은 폭(cm)밖에 가질 수 없음을 나타낸다.


이 사실은 예컨대 양성자가 콤프턴 파장 2.1×cm 정도의 폭과, 이상자기 모멘트가 핵 마그네톤 e/(2mpc) 단위로(는 양성자의 질량) 1.79라는 큰 값을 갖는 것과 매우 대조적이다.


전자와 양성자의 전하의 크기보다 작은 전기량은 발견되지 않았으나, 양성자 등을 구성하는 기본적인 실체가 보다 작은 전기량을 갖는다는 것은 이론적으로 제시되어 있다.


앞으로 고에너지의 소립자반응(素粒子反應)의 연구에 의해 전자의 구조 및 전하의 소량성(素量性)에 대한 새로운 지식도 얻어질 것으로 기대된다.