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| ※: 추정 2022년 8월 17일자 네이처지 참고 | ||
| 안개상자 속 탄소14가 베타붕괴하면서 방출하는 전자의 궤적[1] |
1. 개요
[math(\rm e)] / 電子 / Electron[2], Negatron[3]음전하를 띠며 원자를 구성하여 원자핵 주변을 떠도는 렙톤 입자.
원자를 구성하는 입자 중 가장 먼저 발견된 입자이다. 1897년에 조지프 존 톰슨이 진공 중에서의 방전 현상을 연구하면서 발견하였으며, 전자의 발견으로 인해 원자를 더이상 쪼갤 수 없는 기본입자라 생각했던 존 돌턴의 원자설은 수정되었다. 전자는 원자핵을 중심으로 입체적으로 존재한다.[4]
현재까지 인류가 발견한 가장 완벽에 가까운 구이다. 전자를 지구 크기만큼 키워도 그 오차 범위를 알 수 없으며 태양계 크기만큼 키워야 겨우 머리카락 한 올 수준의 오차가 생기는 정도.
2. 물리적 성질
전자가 점입자인지 아닌지는 아직 결론이 내려지지 않았지만 크기가 0이 아닐 경우 상한선을 10-18 m 정도로 보고 있다. 참고로 고전역학적인 전자의 반지름(classical electron radius) 값은 약 2.8×10-15 m. -1.602 176 634 8×10-19 C의 전하를 띠고 있다. 양성자와 전하량의 부호는 반대이고 크기는 같다. 정지 질량은 9.109 382 91(40)×10-31 kg 또는 510.998 928(11) keV/c2으로 양성자의 1/1836.152 672 45(75)배이다. 양성자나 중성자에 비해 질량이 너무 작기 때문에 원자의 질량을 계산할 때는 보통 전자의 질량은 무시하고 계산한다. 수명은 90% 신뢰도로 >4.6×1024 년[5], 이상 자기모멘트값은 (g-2)/2=1159.65218076(27)×10-6[6].양성자는 양의 전하를 띠고 전자는 음의 전하를 띠는데, 일반적으로 물체를 이루는 원자들은 양성자의 수와 전자의 수가 같아서 전기적으로 중성을 이룬다. 그런데 지구상의 수많은 물질 중에는 전자를 잘 잃거나 가질 수 있는 물질이 존재하며, 이들을 서로 마찰시키면 전자가 다른 물질로 넘어가는 일이 흔하게 일어난다. 이렇게 마찰이나 혹은 다른 방법으로 물체가 전자를 얻어 음전하를 양전하보다 더 많이 가지고 있으면 음으로 대전되었다고 하고, 그 반대의 경우에는 양으로 대전되었다고 말한다. 이온으로 치자면, 각각 음이온, 양이온으로 볼 수 있는 견해이다.
특별히, 전자를 얻거나 잃은 원자나 원자단을 따로 가리켜 이온이라고 한다. 양이온, 음이온 할 때 그 이온이 이것이다. 대표적으로 나트륨 이온(Na+), 염화 이온(Cl-) 등이 있다.
따라서 물체에 있어서 음전하를 띤다는 것은 어떤 물질이 전기적 중성일 때보다 전자를 많이 가지고 있다는 것을 나타내고, 양전하를 띤다는 것은 중성일 때보다 전자를 잃어서 양성자가 상대적으로 많아진 것을 나타낸다. 따라서 전류는 원래 전자가 과잉으로 있는 음극에서 전자가 부족한 양극으로 흐르거나 금속 안의 자유전자가 전자기장의 분포에 따라 흘러가는 등 전자의 흐름으로 인하여 발생하고 관측되지만, 전기보다 전자가 한참 후에 발견되었다. 이전에는 정체불명의 무언가가 양에서 음으로 흐른다고 추정했다.[7] 일반적으로는 먼저 전류의 방향을 언제나 양에서 음으로 흐르는 것으로 정의하고 이를 반영하도록 수식과 이론을 맞추어 사용한다. 이를 위해 도입된 개념이 양공이다. 극한 조건을 다루는 전자공학에서는 원래와 같이 음에서 양으로 흐르는 전하의 흐름을 고려하게 된다.
전자는 의외로 느리다. 일례로 수소 원자의 전자는 초속 2,200 킬로미터의 속력으로 원자핵 주위를 떠돌고 있다. 즉 광속의 1%도 안 되는 느린 속력이다. 물론 인간의 기준으로 초속 수천 킬로미터는 충분히 빠르지만...
허나 원한다면 전자의 속력을 크게 증가시킬 수 있다(에너지만 주면 된다). 실제로 전자를 가속시켜 발사하는 장치는 아주 많다(“전자총”이라 부른다). 게다가 전자는 아주 아주 가벼워서, 약간의 에너지만으로도 엄청나게 가속시킬 수 있다. 예를 들어 전자를 광속의 90%까지 가속하는 데 필요한 에너지는 겨우 220,000 전자볼트(eV)다. 물론 광속에 근접할수록 가속에 필요한 에너지는 기하급수적으로 증가하므로, 이보다 더 빠르게 전자를 가속하려면 훨씬 많은 에너지가 필요하다. 예를 들어 전자를 광속의 99.9%까지 가속하려면 천만 전자볼트, 99.99999%까지 가속하려면 40억 전자볼트가 필요하다.
3. 화학적 성질
원자핵에 비해 매우 가볍기 때문에 한 원자에서 다른 원자로의 이동이 상당히 쉬운 편이며, 이로 인해 많은 화학적 결합을 만들어 낼 수 있다. 분자의 구조와 결합상태에 대해 연구하는 학문은 사실상 원자 사이에서의 전자의 이동과 배치에 관한 학문이라 할 수 있다.
특히 화학을 전공하는 사람에게는 이러한 전자의 이동이 매우 중요하게 여겨진다. 보통 학부 공통과정에서 화학이 전자의 이동과 매우 밀접한 관계를 가지고 있는 학문이라는 것을 가르쳐준다. 이온과 옥텟 규칙을 이용하여 전자와의 연관성을 맛보기 시작한다. 그리고 전공과정으로 갈수록 전자 중점의 화학반응이 나타난다. 전공 초의 유기화학에서 반응 메커니즘을 다루기 시작하면 어디에 있는 전자가 어디로 갈 것이라고 분자구조 위에서 자동적으로 그려지는 정도가 되어야 한다. 이것이 불가능하면 반응의 이해 자체가 불가능하기 때문. 따라서 메커니즘을 그릴 수 있는가 없는가에 따라 유기화학 심화과정의 수강자와 포기자가 나뉘게 된다.
심화과정으로 들어가면 여기에 양자역학의 오비탈이 접목되고, 모든 반응이 양자역학적으로 가능한 방향으로 정립되게 된다. 일반적으로 물리화학에서 열역학을 끝마치고 시작하는데, 반응 전후의 상관관계를 따지는 것이 보다 명확하지만 이해하기가 극히 어려워지기 때문에 앞서 배운 유기화학의 메커니즘 수준으로 이해하는 경우가 많다. 다만 실제의 전자는 양자역학적인 거동을 보이기 때문에 제대로 공부하지 않으면 필연적으로 아예 이해할 수 없는 부분과 대면할 수밖에 없으니 조금이라도 이해하려고 노력하는 편이 좋다.
4. 여담
“전파가 전자인가요?”라던지 “전자파가 전자인가요?“ 같은 질문도 학생들이 가끔 한다. “전자파”에 “전자”라는 글자가 들어있기 때문에 혼동되는 것이다. 그러나 전자파(전자파는 약칭이며 정식 명칭은 전자기파다)의 “자”는 磁, 즉 자석, 자기장 등의 “자”이며 전자의 “자”(子)가 아니다. 전파와 전자기파 모두 전자가 아니라 광자이므로 광속으로 퍼져나간다. (정확히 말하자면 전파는 전자기파의 일종이며 우리가 말하는 빛(가시광선)도 전자기파의 일종이다. 그러나 전자의 흐름은 전류라 부르며 이는 전자기파가 아니다.)"전자는 빛인가요?”라든지 “전자도 광속으로 이동하나요?” 등은 학생들이 자주 하는 질문이다. 전자는 빛이 아니며 광속으로 이동하지 않는다. 이런 질문이 나오는 이유 중 하나는 전자가 상태를 바꿀 때(오비탈이 바뀐다든지) 에너지를 흡수하거나 방출하는데 이 에너지가 광자의 형태이기 때문이다. 허나 전자 자체가 광자인 것은 아니다. 전자 말고도 광자의 형태로 에너지를 흡수/방출하는 것들은 얼마든지 있다.
[1] 얇은 지렁이 같은 모양이 계속 순식간에 나타났다가 사라지는데, 방출된 전자 입자의 실제 경로가 안개로 보이는 것이다. 무거운 알파선이 직선으로 방출되는 것과 달리 가벼운 베타선은 안개 입자들의 영향을 받아 이처럼 불규칙한 모양으로 방출된다.[2] ἤλεκτρον(그리스어로 호박)을 문지르면 정전기가 발생한 것에서 유래되었다.[3] 양전자(positron)와 구별할 때에만 사용한다. 하지만 거의 쓰이지 않는다.[4] 수소 원자만 생각했을 때, 고전역학적으로 전자의 운동을 계산해 보면 태양 주위를 도는 행성의 운행과 똑같이 평면 상의 타원 궤도를 그리는 모양이 될 것으로 예상할 수 있다. 하지만 양자역학적으로 계산해 보면 수소 원자에 있는 전자의 파동함수 분포가 평면이 아닌 입체적인 공간에도 있다는 것을 알 수 있다[5] '만약 붕괴한다면' 이보다 클 것이라는 이야기이다. 이론의 예측을 떠나서 실제로 붕괴하는지 안 하는지는 모를 일이기 때문에, 붕괴가 관측되지 않은 입자의 '수명'을 측정한 실험 결과는 주로 이렇게 표현된다. 즉, 이 표현은 "붕괴 안 할 수도 있고, 만약 붕괴한다면..."이라는 말을 빼고 쓴 것이라고 볼 수 있다. 그러니 이것만 가지고 전자가 붕괴한다고 말하진 말자. 광자의 질량을 측정한 결과도 0이 아니고 얼마보다 작다는 식으로 써진 것과 같은 이치이다.[6] K.A. Olive et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C38, 090001 (2014) (URL: http://pdg.lbl.gov)[7] 물론 이온이 녹아있는 수용액 같은 경우에 전압이 걸리면 (+)이온이 양극에서 음극 방향으로 이동한다. 그 외에 양전자같이 (+) 전하를 띤 입자가 이동하는 경우에도 양에서 음으로 전류가 흐른다고 할 수 있다. 즉, 단순한 전기회로를 넘어서서 특수한 상황까지 고려해 아주 일반적으로 말하면 양에서 음으로 무언가가 흐른다는 말이 아예 틀린 것은 아니다. 다만 보통 말하는 전류의 케이스가 압도적으로 많다 못해 방금 든 예가 너무 특수한 케이스라 그냥 저런 특수 케이스들을 상큼히 무시한다.