전자란 무엇일까?

#1 전자란?

전자는 음(-)의 기본 전하를 띄는 아원자 입자로, 1세대 렙톤이고, 하부 구조나 하부 입자가 알려진 바가 없기 때문에 기본 입자로 여겨진다. 양성자보다 1836배 작은 질량을 가지고 있다. 양자역학적 속성으로 스핀이라 불리는 1/2만큼의 고유각운동량을 가진다. 동일한 양자 상태를 가지는 입자가 존재할 수 없다는 파울리 배타 원리를 따르는 페르미온이다. 다른 기본입자들과 마찬가지로 파동-입자 이중성을 가진다.

 

전기, 자기, 화학, 열전도 등의 주요한 물리적 현상에 참여하며, 중력, 전자기력, 약한 상호작용의 영향을 받는다. 전하를 띄기 때문에 전기장을 형성하며, 관찰자와 상대적으로 움직이고 있을 경우 자기장이 관찰된다. 전기장과 자기장은 로런츠 법칙에 의해 상호 유도된다. 전자는 가속할 때 광자의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수한다. 전자 플라즈마를 통해 개개의 전자를 포착할 수 있으며, 특수한 망원경은 우주 공간에서 날라오는 전자 플라즈마를 탐지할 수 있다. 전자공학, 용접, 브라운관, 방사선 치료, 레이저, 입자 가속기 등 다양한 범위에서 응용된다.

 

 

전자와 다른 아원자 입자와의 상호작용은 화학이나 핵물리학의 영역이다. 원자핵 내부의 양성자와 전자들은 정전기적 상호작용을 통해 원자를 구성한다. 두 개 이상의 원자는 전자를 공유함으로써 화학 결합을 형성할 수 있다. 1838년 영국의 자연철학자인 리처드 래밍이 처음으로 원자의 화학적 성질을 설명하기 위해 전자라는 개념을 도입했고, 아일랜드의 물리학자 조지 존스턴 스톤가 처음으로 베타 입자에 전자라는 이름을 붙인다. 전자는 방사성 동위원소의 베타 붕괴나 고에너지 충돌 등으로 인해 자연적으로 발생한다. 전자의 반입자는 양전자라고 하며, 전하가 +1e인 것만 제외하면 모든 성질이 전자와 동일하다. 전자와 양전자가 충돌하는 경우 두 입자는 감마선을 만들어내며 소멸한다.

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전자의 개념에 대해서 잘 읽어보셨나요?

그럼 다음으로 분류에 대해서 알아보겠습니다!

 

 

#2 분류

표준 모형에 의하면 전자는 렙톤이라는 기본 입자 그룹에 속하여, 어떠한 하부 구조도 존재하지 않는다. 전자는 전하를 가지는 렙톤 중에서는 가장 작은 질량을 가지며, 세대를 따지자면 1세대에 속한다.

 2세대 렙톤 중에서는 뮤은이, 3세대 렙톤 중에서는 타우 입자도 전하를 띄지만 전자보다 훨씬 무겁다. 렙톤은 강한 상호 작용을 하지 않는다는 점에서 같은 기본 입자인 쿼크와 구분된다. 렙톤들은 모두 반정수 스핀을 가지는 페르미온이다.

 

 

#3 관측

전자의 관측은 주로 전자가 발산하는 에너지를 감지하는 방식으로 이루어진다. 항성의 코로나처럼 고에너지 환경에서 플라즈마 상태의 자유 전자들은 제동 복사의 형태로 에너지를 방출한다. 플라즈마 상태의 전자들은 마찬가지로 플라즈마 상태인 원자핵들과 함께 플라스마 진동을 일으키는데, 이 때 방출되는 전자기파를 전파망원경으로 관측할 수 있다.

 

광자가 가진 에너지는 그에 비례하는 주파수로 나타난다. 원자에 구속된 전자가 두 에너지 준위 사이를 이동할 때 특정 주파수의 광자를 흡수하거나 방출하는 것이 그 까닭이다. 일례로 원자에 빛을 비추면 흡수 스펙트럼이 나타나는데, 이 때 검은색으로 흡수된 주파수의 빛이 그 원자가 가지는 전자들의 에너지 준위 차이를 의미한다. 원소나 분자마다 고유한 스펙트럼선을 가지는데 수소 스펙트럼 계열이 대표적이다. 이 스펙트럼선을 분석하는 학문을 분광학이라고 하며, 이를 통해 물질의 구성성분이나 물리적 성질을 알아낼 수 있다.

 

전자 개개의 상호작용을 분석하기 위해 연구실에서는 입자검출기라는 기계를 사용한다. 입자검출기는 에너지, 스핀, 전하 등 각 입자의 고유한 특성을 감지하여 입자의 종류를 분석하는 기능을 갖추고 있다. 사중극자 이온트랩과 페닝트랩이 개발된 결과 전하를 띈 입자를 아주 작은 공간에 오랫동안 담아두는 것이 가능해졌고, 이를 통해 입자의 성질을 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 대표적으로 페닝트랩을 사용해 전자 1개를 10달동안 붙잡아두는데 성공한 적이 있으며, 이를 통해 1980년대에는 전자의 자기모멘트를 소숫점 11자리까지 측정하는데 성공했다.

 

 

2008년 2월에는 스웨덴 룬드 대학교 연구팀이 아토초 단위로 빛을 깜빡여서 전자의 움직임을 촬영하는데에 성공했다.

고체 내에서 전자의 분포는 광전 효과를 통해 고체의 푸리에 공간에 대한 정보인 역격자를 측정하는 기술인 각분해광전자분광을 통해 측정할 수 있다. 이 방법을 통해 전자의 속도를 측정할 수 있고, 이를 분석해서 물질 내에 전자의 산란 현상을 관측할 수 있다.

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전자의 포스팅을 읽고 나서 새로운 사실들을 많이 알게 된 것 같아요!

개념을 다 이해하고 생각해보니 훨씬 더 쉽게 전자에 관해서 알게 된 것 같습니다. :-)

다음에 더 유익한 포스팅으로 올게요!