19세기가 지나고 20세기가 시작될 무렵에는 영국이 세계 물리학의 중심이었습니다. 그 곳에는 물리학의 거장이 한 사람 있었습니다. 바로 영국 케임브리지 대학의 캐버디시연구소의 수장인 톰슨 교수입니다.
전자의 첫 발견 과정
19세기 말의 톰슨은 강한 전기장이 원자나 분자에 어떤 영향을 미치는지 연구를 하고 있었는데, 음극선 실험을 하는 도중에 어떤 물질을 발견하게 됩니다.
음극선은 진공관에 특정 기체를 넣고 음극과 양극에 강한 전압을 걸어주었을 때 나오는 황록색의 광선입니다.
톰슨이 음극선을 연구할 당시에는 음극선관의 음극에서 나오는 음극선이 과연 무엇이냐에 대한 말들이 많았습니다.
비물질적인 것이라는 주장도 있었다고 하는데, 톰슨은 이것은 말이 안된다고 생각했습니다.
일각에서는 질량을 가진 입자의 흐름이라고 주장하는 경우도 있었습니다. 톰슨은 충분히 그것을 실험을 통해서 확인해 볼 수 있을 것이라고 생각했습니다.
실험 결과, 입자에 맞아서 바람개비가 돌아가는 것이라는 결과가 나왔기 때문에 질량이 있는 입자라는 결론을 얻었습니다.
또 자석을 대어 자기장을 걸어주면 특정 방향으로 움직이기도 하였습니다.
연구를 더 계속하여 톰슨은 그 질량이 있는 입자의 질량이 수소 원자 질량의 1000분의 1보다 작다는 것과 음극선을 발생시키는 원자의 종류가 무엇이건 질량이 항상 일정하다는 것을 알게 되었습니다.
톰슨은 음극선이 원자를 구성하는 입자라고 발표하면서 이 입자에 미립자라는 이름을 붙였습니다.
이렇게 톰슨은 이 입자의 존재를 밝혀내게 됩니다. 이런 전자의 발견은 암흑이었던 원자 세계에 들어가는데 획기적인 발견 과정이었습니다.
전자의 발견과 발전
돌턴이 처음 원자설을 제기한 이후 줄곧 원자는 단단한 구슬처럼 생각되었습니다. 하지만 톰슨은 그 안에서 무언가를 발견한 것이었습니다.
질량을 가지고 있고 음극을 나타내는, 원자보다 작은 미립자였습니다. 나중에 이 미립자는 전자라는 이름으로 바뀌게 되었습니다.
당시의 사람들은 전기가 흐르는 건 알아도 무엇이 흘러서 전기적인 현상을 일으키는지는 알지 못했습니다. 그 무엇은 바로 전자였습니다.
톰슨은 전자가 원자 안에 빵 속의 건포도처럼 박혀 있다고 생각했습니다.
원자 안에 전자가 들어 있다는 것을 알았기 때문에 이제 원자 안이 어떻게 생겼는지 궁금해졌을 것입니다.
원자 안에 음의 성질을 띠는 전하가 있는데, 이 전자는 어떻게 어떤 위치에 자리 잡고 있는지 궁금했습니다.
원자의 전기적인 성질은 중성입니다. 음의 성질을 띠는 전자가 있는데도 중성이라면, 양의 성질을 띠는 물질도 같이 있다는 말과 같습니다.
즉, 양성자가 있어야 한다는 것입니다. 톰슨이 생각한 원자 모델은 양의 전기를 가지는 물질이 전자 주위에 넓게 퍼져 있다는 것이었습니다.
하지만 양성자가 발견되기까지 정확한 원자 모델을 알 수는 없었습니다.
원자 속에 들어 있는 작은 핵
톰슨이 원자 속의 전자를 처음 발견하였을 때에는 사실 어둠 속에서 문고리를 잡은 것과 같은 수준이었습니다. 톰슨 이후 등장한 사람이 바로 러더퍼드입니다.
러더퍼드의 실험실 조교들은 2년 동안 같은 실험을 하였습니다. 방사성 물질에서 나오는 알파 입자를 얇은 금박지에 던질 때 어떤 현상이 일어 나는지를 관찰하는 실험이었습니다.
얇은 금박지는 대략 원자 400개 정도의 두께였습니다. 금박지 안의 원자가 어떻게 반응하는지 보려고 한 것입니다.
알파 입자는 양성자 두 개와 중성자 두 개가 합쳐진 것으로, 전자보다 7500배 무거운 물질입니다. 그래서 알파 입자를 금박지에 쏘면 그대로 금박지를 뚫고 나가버렸습니다.
러더퍼드는 혹시라도 금박지를 통과하지 못하고 조금이라도 휘어지는 입자가 있는지 보려고 했습니다.
그런데 2년이 다 되어 갈 때쯤 튕겨져 나온 알파 입자를 발견하였습니다. 이것은 약 8000분의 1의 확률이었습니다.
그러니까 얇은 종이에 총을 쐈는데 총알이 튕겨져 나온 것과 같은 것입니다.
이 결과는 아주 크고 단단하고 무거운 물질, 총알도 뚫지 못한 어떤 단단한 물체가 창호지 안에 있다는 뜻입니다.
이 실험 결과로 러더퍼드는 이것이 바로 양의 성질을 가진 입자, 즉 원자핵이라고 생각했습니다.
그렇다면 전자는 원자핵 주변을 돌고 있을 것이라고 가정했습니다. 이유는 태양이 지구를 붙잡아두는 힘이 원자핵과 전자 사이에도 존재한다고 생각했기 때문입니다.