전기의 역사, 발견 및 원자의 구조

전기의 역사

전기에 대해서 역사에 기록되어 남아 있는 것으로는 기원전 600년경 희랍인이 발견한 것으로 나타나 있다. 희랍 사람들은 장식용으로 쓰이는 호박이라는 돌을 헝겊으로 문지르면, 먼지나 실들을 끌어당긴다는 것을 알고 있었다. 그 당시 불가사의한 것으로 호박과 마그네스가 있었다.마그네스는 철을 끌어당기는 검은 돌, 천연자석인 자철광을 말한다. 자철광은 호박보다도 1000년 이전부터 알려져 있었다고 한다. 자연 철학자 탈레스는 호박이나 마그네스가 물질을 끌어당기는 것은 그 물질 속에 영혼이 잠을 자고 있기 때문이라고 생각하였다. 탈레스에서 2000년이  지난 16세기 말에 영국 엘리자베스 여왕의 시의였던 길버트는 자철광과 호박에 대해서 처음으로 과학적인 연구를 하였다. 전기의 학문은 이때부터 탄생하였다고 말하고 있다. 길버트는 호박 이외에 유황, 수지, 유리, 수정들도 마찰하면 가벼운 물체를 끌어당기는 일을 발견하였다. 그는 이 현상을 물질이 일렉트리파이(electrify)한다고 하였다. 이때부터 호박화하는 원인으로 되는 것을 전기(electricity)라 하였다. 한편, 동양에서는 자연 현상으로 발생하는 번개의 기운을 전기라 하였다. 전(電)이라는 한자는 뇌(雷)의 날쌘 동작을 뜻한 것으로, 뇌(雷)는 구름에 모여 있던 전기가 일으키는 불꽃으로 불꽃이 순식간에 발생하는데 연유하고 있다.

전기의 발견

전기의 정체가 무엇인지 밝혀지지 않은 채, 볼타(Volta)의 전지, 벨(Bell)의 전화, 에디슨(Edison)의 백열전등, 지멘스(Siemens)의 발전기가 발명되었다. 전기의 정체를 처음으로 연구한 사람은 영국의 물리학자 톰슨(Thomson)으로 에디슨이 백열전등을 발명한 때로부터 11년이 지난 1890년이었다. 톰슨은 전기라는 것은 아주 작은 미소한 입자임을 발견하였다. 이 미소한 입자가 광을 내거나 열을 낸다는 것을 알게 되었다. 톰슨은 이 입자를 전자(electron)라 하였다. (일렉트론은 희랍어로 호박을 가리킨다) 톰슨은 진공방전 실험을 하였는데 유리관의 양단에 전극을 붙이고 내부의 공기를 빼내 진공상태로 한 다음, 높은 전압을 걸어 주었더니, 음극에서 양극으로 빛과 같은 것이 흐르는 것을 보았다. 이 빛과 같은 것을 음극선이라 하였고, 이 음극선이 전자의 흐름이라는 것을 발견하였다. 또한, 이 실험으로 전류는 양극에서 음극으로 흐르는 것이 아니고 반대로 음극에서 양극으로 흐른다는 것도 알게 되었다. 전자는 특별한 것이라고 생각되고 있으나 실제로는 어디에도 있는 알갱이다. 예를 들면 주위에 있는 모든 물건은 물론, 인체에도 전자가 있다. 인체는 세포로 구성되어 있으며, 그 세포나 혈액을 세분화하면 탄소, 수소, 산소 등 여러 가지 원자로 구성되어 있다. 다시 말하면 모든 물질에는 전자가 포함되지 않은 것이 없고, 전자 없이는 성립되지 않는다. 우리가 사는 지구는 말할 것도 없고 우주의 모든 물질은 원자로 이루어져 있으며, 원자는 전자를 갖고 있기 때문이다. 전자를 발견한 톰슨은 1904년 원자모형을 제시하였다. 양(+)전하를 갖는 입자가 원자 속에 골고루 분포되어 덩어리를 이루고, 이 연속적인 양전하 속 음(-)전하를 갖는 전자가 마치 수박씨처럼 분포되어 원 궤도를 그리면서 운동한다고 하였다. 같은 해에 장강은 양전하는 원자의 중심에 입자의 핵으로 집중되어 있고 그의 주위를 전자가 회전한다고 하였다. 그것은 마치 태양 주위를 가벼운 행성이 만유인력에 끌려서 돌고 있는 것과 같다고 주장하였다. 이 두 모형 중 어느 쪽이 옳은가는 다음과 같은 러더포드의 산란 실험으로 판명되었다.

원자의 모형

톰슨의 원자 모형이 맞는다면, 방사능에서 나오는 헬륨이온이 수소 원자의 어떤 부분을 통해도 거의 휘어지지 않고 통과할 것이고, 만일 원자 중심에 양전하를 띤 핵이 있다면, 헬륨이온은 양전하를 가지므로 쿨롱의 힘에 의한 반발력이 작용하여 산란되어야 했다. 러더포드는 라듐으로부터 방사되는 헬륨이온을 사용하여 수소 원자에 충돌 시험해 본 결과, 헬륨이온이 산란함으로써 원자 중심에 양전하를 갖는 입자가 있다는 것을 알게 되었다. 원자의 구조를 살펴보면 탄소 원자의 예와 같이 중심에는 원자핵, 주위에는 전자로 구성되어 있다. 원자의 종류나 성질은 원자핵과 그의 주위에 있는 전자의 수로 결정된다. 한편 원자핵은 양(+)전하를 가지고 있고, 원자핵 주위를 돌고 있는 음(-)전하를 갖는 전자를 쿨롱의 힘으로 끌어당기고 있다. 어느 원자도 양전하를 갖는 원자핵과 원자핵 주위를 돌고 있는 음전하를 갖는 다수의 전자로 구성되어 있다. 원자핵의 주위를 도는 전자의 수는 무거운 원자일수록 많으며, 제일 가벼운 수소는 전자의 수가 1개, 무거운 납은 82개를 가진다. 전자의 수는 원자마다 다르고 그 원자 특유의 성질을 만든다. 원자의 1번의 수소부터 2번 헬륨, 78번 백금이라고 원자번호가 붙여져 있으며 원자번호는 그 원자가 갖는 전자의 수를 나타낸다. 원자핵이 갖는 전하량은 주위를 돌고 있는 전자의 음전하 합계와 같다. 따라서 정상 상태에 있는 원자는 양전하와 음전하가 중화되어서 원자 외부에서 보면, 양전하나 음전하가 아닌 중성이 된다. 예를 들면 실리콘(Si) 원자는 원자번호가 14로 14개의 전자를 갖고 있어 부전하의 합은 -14e이며, 원자핵은 이것과 똑같은 +14e의 전하를 가지고 있다. 따라서, 양전하량과 음전하량이 같으므로, 원자 전체로는 중화되어 전기를 나타내지 않는다. 원자핵은 양전하를 갖는 양자와 전하를 갖지 않는 중성자 등으로 되어 있다. 양자의 전하 크기는 전자의 전하량과 같으며, 음전하가 아닌 양전하를 갖는다. 다시 말하면, 원자핵이 갖는 양전하량은 원자핵을 구성하는 양자들이 갖는 전하량 합계로 된다.