원자의 구성입자 중 전자의 발견

원자가 기본적인 입자가 아니라 좀 더 기본적인 다른 입자들의 결합으로 이루어졌다는 사실은 어디에 근거를 두고 있는가? 그리고 이러한 더 기본적인 입자라는 것은 어떤 것들인가? 이러한 점에 대한 최초의 암시는 원자보다 수천 배나 더 가벼운 극히 작은 또 다른 입자가 존재한다는 사실을 발견하면서 나타나게 되었다.

 

1. 전자의 발견

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19세기 말에 과학자들은 후에 방사성 물질이라고 불리게 된 우라늄이나 라듐 같은 물질로부터 방사선이라고 불리는 눈에 보이지 않는 그 무엇이 방출되고 있음을 발견했다. 이들은 그 성질에 따라 각각 알파(a) 선, 베타(B) 선, 감마(y) 선이라고 불리게 되었는데, 알파선은 양의 전하, 베타선은 음의 전하를 띤 입자들임이 밝혀졌고, 감마선은 전하를 띠지 않은 전자기파의 일종임이 후에 알려졌다.

 

특히 베타선을 이루는 입자들은 그 질량 (무게)이 대단히 작아서 수소 원자 질량의 대략 2천 분의 1 정도임이 밝혀졌다. 수소 원자는 잘 알려진 바와 같이 원자들 가운데 가장 작은 원자이므로 이보다 훨씬 더 작은 입자가 존재한다는 것은 기본 입자로서의 원자설에 커다란 타격을 가하는 것이었다.

 

한편 진공관 내에서 양극과 음극 사이에 전압을 걸고 음극을 가열할 때 발생하는 음극선도 베타선과 같은 종류의 입자들로 이루어졌음이 밝혀졌다. 이러한 입자들은 그것을 발생시킨 물질의 종류에 관계없이 모두 동일한 성질을 가지는 것이어서, 영국의 물리학자 톰슨은 이것을 물질을 이루는 하나의 기본적 입자로 보아 전자라고 명명하였다.

 

그렇다면 이러한 전자들은 그때까지 물질의 기본 입자라고 생각되었던 원자들과는 어떤 관계를 가진 것인가? 전자들이 어느 물질에서나 쉽게 나올 수 있음으로 보아 모든 원자들은 그 구성 요소로서 전자를 가질 것이라는 점이 거의 분명하였다. 그러나 원자는 전자들만으로 이루어질 수는 없다.

 

그 이유는 대부분의 원자들이 전기적으로 중성임에 반해 전자는 음의 전하를 띠고 있으므로 이를 중화시키기 위해서는 야의 전하를 띤 부분이 있어야 하기 때문이다. 그리고 전자들은 질량이 매우 작으므로 이들보다 훨씬 더 무거운 다른 부분이 원자 내 있어야 할 것이다.