전자의 특징

개요

전자는 음전하 아원자 입자로서 양전하를 띠는 원자의 핵에 끌려 핵 주위의 궤도를 돌고 있습니다. 전자는 전자껍질(electron shell)이라는 에너지 준위와 관련된 궤도에 상주하며 각 전자껍질 내의 전자 부껍질(electron sub-shell)과 궤도로 더 세세하게 분류시킬 수 있습니다.

핵 주변의 궤도를 도는 전자

전자는 핵의 바깥쪽 특정 위치에서 발견됩니다. 전자껍질은 해당 껍질에 상주하는 전자의 일반적인 에너지 준위를 나타냅니다: 핵에 가까운 전자는 적은 에너지를 가지고 있는 반면 더 바깥 전자껍질에 상주하는 전자는 더 많은 에너지를 가지고 있습니다. 전자 부껍질은 전자의 위치와 에너지 준위를 보다 정확하게 설명하고, 궤도는 전자 지나가는 확률이 높은 핵 주변의 궤도 모양을 설명합니다. 핵에 가장 가까운 전자는 가장 낮은 양의 에너지를 가지며 전자와 핵 사이의 거리가 증가함에 따라 전자가 가지는 에너지의 양도 증가합니다. 핵에서 멀리 떨어질수록 전자가 궤도를 돌 수 있는 공간이 생기기 때문에 외부 껍질이 내부 껍질보다 더 많은 전자를 보유할 수 있습니다. 원자의 가장 바깥쪽 전자는 원자가 껍질(valence shell)에 상주하고 원자가 전자(valence electron)로 지칭됩니다. 이 전자는 다른 원자와 이온결합 및 공유결합을 형성하게 됩니다.

전자 발견

전자는 최초로 발견된 아원자 입자였습니다. 1890년대 후반, J.J. 톰슨(J.J. Thomson)은 전자의 발견으로 이어질 음극선관(cathode ray tube)을 이용한 일련의 실험을 수행했습니다.

음극선관은 전기를 공급하는 전원에 연결된 두 개의 전극이있는 유리관입니다. 유리관 내부의 공기를 제거한 진공 상태에서 전압이 전극을 가로지르면 입자를 담은 빔이 음전하 전극(음극)에서 양전하 전극(양극)으로 이동합니다. 양극에는 선(ray)이 통과할 수 있도록 작은 구멍이 있어 음극선이 관을 가로질러 관 반대편 인광체 코팅에 닿으면 관이 빛나게 됩니다.

톰슨은 양전하와 음전하를 가진 금속판 사이로 음극선을 통과시켜 관의 맨 끝에서 선(ray)의 위치를 측정했습니다. 음극선이 두 금속판 사이를 통과했을 때, 음전하판에서 반사되어 양전하판 방향으로 구부러졌습니다. 같은 종류의 전하는 서로 반발하고 다른 종류의 전하는 흡인하는 걸 고려하면 관측된 현상은 음극선을 구성하는 입자가 음전하를 가지고 있음을 나타냈습니다. 음극 입자의 질량 대 전하 비율을 계산하는 추가 실험에선 개별 음전하 입자의 질량이 대략 얄려진 원자 질량의 1/2000 정도로 굉장히 작은 것으로 나타났습니다. 따라서 톰슨은 한 원자에는 많은 전자가 존재해야한다는 결론을 내렸습니다. 훗날 양성자와 중성자의 발견은 원자의 질량 분포 및 원자 내 전반적인 중립 전하의 존재를 설명 하게 됩니다.