[원자의 구조] 전자의 발견 - JJ톰슨의 음극선 실험

[원자의 구조 - 전자의 발견]

 

원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있습니다.

원자핵은 다시 양성자와 중성자로 나누어 지죠.

이런 원자를 구성하는 입자와 원자 구조에 대한 지식은

많은 과학자들이 원자를 구성하는 입자를 하나씩 발견하면서

차근차근 발전해 온 결과물입니다.

 

오늘은 이중 전자의 발견과 관련된 내용을 이야기해 볼까 합니다.

 

[JJ톰슨의 음극선 실험]

 

JJ톰슨(1856~1940)이라는 영국의 과학자는 '음극선 실험'을 통해

원자 내에는 전자라는 입자가 들어 있음을 발견하게 됩니다.

 

▲ JJ 톰슨 (1856~1940). 영국의 과학자. 1906년 노벨상 수상

 

톰슨은 진공으로 만들어진 관(음극선관)에 +극과 -극을 연결하여 하나의 실험 장치를 완성했습니다.

사실 톰슨이 '음극선 실험'을 계획하고 실행하는데까지 여러 난관을 극복해야하는 어려움이 있었씁니다.

실험 초기에는 음극관으로 사용할 관 안의 상태를 진공으로 만드는 기술이 없어 실험을 제대로 할 수 없었습니다.

1863년에 영국의 크룩스라는 사람이 진공도가 높은 음극선관을 만들어내는데 성공하면서 비로소 정확한 실험이 가능하게 되었습니다.

이때 만든 관 이름이 '크룩스 관' 으로 아래 사진에서 확인할 수 있습니다.

 

1897년 톰슨은 여러 기술적인 어려움을 극복한 끝에 음극선 실험을 실행하게 되고, 그 실험에서 확인한 사실을 통해 전자의 존재를 알아냈습니다.

 

-극에서 나와 +극으로 직진하는 빛을 음극선으로 부르는데요,

-극(음극)에서 나왔다고 해서 음극선으로 불렀습니다.

아무튼,

톰슨은 음극선이 자기장에서 휘어지는 경로를 조사했습니다.

이 실험에서 그는 원자의 종류와 관계없이 휘어지는 정도가 같다는 것도 확인했습니다.

톰슨은 음극선이 자기장에서 휘어지는 정도와 음극선이 충돌했을 때 발생하는 열을 측정하였는데,

이를 통해 음극선을 이루는 입자의 질량을 계산하고,

이 입자는 원자의 종류에 관계없이 항상 일정하다는 것도 알아냈습니다.

 

그동안의 실험결과를 종합한 결과 음극선은 음전하를 띈 가벼운 입자의 흐름이며

이 입자는 원자를 구성하고 있는 입자라고 발표했습니다.

이 입자가 바로 '전자'입니다.

 

[음극선 실험 영상]

 

[전자의 발견 - 새로운 원자 모형 제시]

 

톰슨은 음극선 실험을 통해 전자의 직진성, 질량, 전하를 확인하고

전자는 모든 원자를 구성하는 기본 입자라는 사실을 발표합니다.

 

전자의 발견으로 인해 새로운 원자 모형이 제시되었는데요,

돌턴의 원자론 '더이상 깨지지 않는 단단한 공 모형'에서

한단계 더 나아간 '푸딩 모형'으로 발전하게 됩니다.

 

톰슨이 제안한 원자 모형

 

톰슨의 '푸딩 모형'은 +를 띤 원자 내에 -를 띤 전자가 박혀있는 모형인데요,

이는 원자가 중성을 띠고 있기 때문에 전자가 원자 내에 존재한다면

전체적으로 중성을 유지하기 위해 전자를 제외한 나머지는 모두 +를 띠어야 한다고 생각한 결과로 이런 모형이 제시 되었습니다.