기초 일반화학 : 음극선과 전자의 발견(톰슨의 원자모형)

전기의 발견

 전기의 어원은 그리스 철학자 탈레스로부터 나왔습니다. 호박이라는 보석을 닦는 도중, 주변 물질을 끌어당기는 모습을 보았는데 물론 지금 우리는 이 힘이 전자의 이동에 의해 발생되는 '정전기(Static electricity)'라는 것을 알고 있습니다만,  이러한 현상을 탈레스는 "눈에 보이지 않는 힘"이라고 정의하고 호박에 그 힘이 있다고 생각했습니다. 그리고 그는 이 힘의 이름을 호박보석의 이름인 "elektron"이라고 명명하였으며, 이후 힘을 뜻하는 "ity"라는 영어 명사 어미가 붙어 오늘날 전기라 불리는 electricity단어가 만들어지게 되었습니다.

 

 

 

 

음극선의 발견

 이후 오랜 시간을 지나 1746년 네덜란드의 뮈센부르크는 정전기를 저장할 수 있는 오늘날 축전지의 시초라 부를 수 있는 '라이덴 병'을 발명하였는데요. 이 소식을 접한 미국의 벤자민 프랭클린은 그 유명한 비오는 날 연을 날려 번개로 라이덴 병을 충전시키는 방법으로 번개의 속성이 전기라는 것을 밝혀냈습니다. 

 

이후 영국의 빅토리아 여왕 시대로 접어들면서, 당시의 과학자들은 기상학과 광학분야에서 자연 현상을 실험실에서 재현하기 위한 모방실험에 열광적이었습니다. 그렇기에 번개 현상도 실험실에서 재현하기 위한 여러 가지 실험들이 진행되었었는데요. 이 때 재현실험을 위해 주로 사용했던 실험방식은 유리관 안에 일정한 조건을 가진 기체를 넣은 다음, 양 끝에 음극과 양극을 연결시킨 후, 높은 전압을 걸어 전류를 흘려주면 기체와 전류가 반응하여 방전효과를 발생시키는 방식이었습니다.

 

이 때 독일의 골드슈타인이라는 과학자는 '크룩스 관'이라고 불리는 진공상태의 유리관을 통해 실험을 통해 방전효과가 사라지고, 유리관의 표면유리와 반응하여 형광색의 빛을 띤 광선을 발견하게 되는데, 이 광선이 음극에서 시작하여 양극으로 향한다고 하여 '음극선'이라고 이름짓게 됩니다.

 

크룩스 관(출처 : 위키백과)

 

이때 크룩스 관으로 행해진 음극선에 대한 실험을 바탕으로 결론내려진 음극선에 대한 성질은 크게 2가지 였습니다.

첫 번째는 음극선은 직진성을 지녀서 앞에 장애물이 있으면, 크륵스관 끝에 그림자를 만들 수 있으며, 두 번째는 음극선은 질량을 가진 입자성을 띄고 있기 때문에 바람개비를 회전 시킬 수 있다 였습니다.

 

음극선의 성질인 직진성과 입자성

 

 

 

 

음극선 실험에서 발견된 미립자, 전자의 발견

1897년 영국의 조지프 존 톰슨이라는 물리학자는 크룩스 관에서 음극선에 대한 실험 중, 음극선 중간에 양극와 음극의 전기장을 갖다대어 음극선이 양극쪽으로 휘는 현상을 발견하고 이를 바탕으로 음극선으로부터 원자 질량보다 작으며 음의 전하를 지니는 미립자(이후 전자라고 불리게 됩니다) 를 발견하였다는 보고를 발표하였는데요.

 

톰슨의 음극선 실험

 

 이후 추가적인 실험을 통해 전기장의 세기에 따라서 음극선이 얼마나 휘는지에 대한 계산을 통해 미립자의 질량과 전하의 비를 측정하였는데, 발견된 소립자의 질량과 전하비율이 수소보다 1000배정도 낮은 것으로 확인되었습니다.

 다시 말하면 발견된 소립자(전자)의 질량이 수소원자에 비해 대단히 작다는 것으로 이것은 기존 돌턴의 원자론의 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 최소한의 물질이라는 1가설의 논리를 깨는 것입니다.

 

 

2021.09.24 - [투자 아이디어 에너지] - 기초 일반화학 : 물질세계 개념 3 - 돌턴의 원자론

기초 일반화학 : 물질세계 개념 3 - 돌턴의 원자론

 

 

 

톰슨의 원자모형

이에 톰슨은 본인의 음극선 실험을 통해 알게된 음전하를 띈 미랍자의 존재를 통해 원자의 구조에 관한 중대한 의문을 제기하게 됩니다.

 그가 제기한 의문은 "모든 물질은 전기적으로 중성이라면, 물질을 구성하고 있는 원자 또한 중성이어야 하는데, 원자에 소량의 질량을 가지며 음전하를 띈 미립자(전자)가 있다면 어떤 양전하로 중성으로의 균형을 맞출 것인가?"입니다. 

 이에 톰슨은 돌턴의 원자모델을 변형해야 하는 필요성을 느끼게 되었고, 이에 1904년 푸딩 속의 건포도 처럼 양전하를 띤 물질이 분산되어 있는 구형의 원자 안에 미립자(전자)가 박혀 있는 형태의 '플럼 푸딩 모형'이라는 새로운 원자 모형을 제시하게 됩니다. 

 

 

이후 톰슨의 원자모형은 그의 제자인 러더포드가 톰슨의 원자모델을 증명하기 위해 실험한 금박실험의 결과에 의해서 원자핵의 존재가 발견되면서 원자 모형의 한 역사로 남게 됩니다. 

 

 

 

 

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