음극선의 성질 3가지 (Cathode rays)

톰슨의 전자 발견

1897년에 영국의 물리학자 톰슨(Thomson)이 음극선(Cathode ray) 실험을 통해서 전자(electron)를 발견한 이야기는 유명하지요. 음극선 실험에서 (-) 전하를 띠고 질량을 가진 입자가 흘러가는 것을 발견한 것인데요, 아래의 이미지를 보면 진공 방전관에 높은 전압을 걸었을 때 (-) 극에서 (+) 극으로 나오는 음극선을 확인할 수 있습니다. 그리고, 톰슨이 음극선 실험을 통해 전자를 발견하였다는 그 사실보다 이때 발견된 음극선이 어떠한 성질이 있었기에 전자의 발견으로 이어질 수 있었는지를 정리해 보려고 합니다.

톰슨이 전자를 발견한 음극선 실험, 이미지 출처: study.com

 

 

음극선(Cathode rays)의 성질

톰슨이 발견한 음극선이 입자의 흐름이고, 이후에 이 입자를 과학자들은 전자라는 이름을 붙이게 되죠. 이 음극선이 어떠한 성질에 의해서 전자를 규정할 수 있게 되었는지 살펴보겠습니다.

 

1. 음극선은 (-) 전하

아래의 그림처럼 음극선이 지나가는 경로에 전기장(자기장)을 걸어주면 음극선의 경로가 (+) 극 방향으로 휘어지는 것이 발견됩니다. 이를 통해 음극선이 음의 전하를 띤다는 사실을 알 수가 있죠.

 

음극선에 자기장을 걸면 (+) 극의 방향으로 경로가 휘어진다. 따라서 음극선은 음의 전하를 가진다. 이미지 출처: commons.wikimedia.org

 

 

2. 음극선의 직진성

음극선이 지나가는 경로에 물체를 두면 그림자가 생기게 됩니다. 이를 바탕으로 음극선이 직진한다는 사실을 알 수가 있는데요, 아래 그림을 보면 음극선이 지나가는 경로에 금속으로 된 십자가를 두었더니 십자가 모양의 그림자가 생기죠. 빛이 직진하기 때문에 발생하는 현상입니다.

 

음극선의 경로에 물체를 두면 그림자가 생기는 것으로부터 음극선이 직진한다는 것을 알 수 있다. 이미지 출처: simply.science

 

 

3. 음극선은 질량을 가진 입자

아래의 이미지처럼 음극선의 경로에 바람개비(paddle wheel)를 두면 바람개비가 회전을 하게 됩니다. 이는 음극선이 질량이 있는 입자이기 때문에 힘이 발생하는 것입니다. F=ma를 생각하면 됩니다.

 

음극선의 경로에 바람개비를 놓으면 바람개비가 회전하는 것으로부터 음극선이 질량을 가진 입자라는 것을 알 수 있다. 이미지 출처: scienceready.com.au

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정리하여 요약을 하면 톰슨은 음극선 실험을 통해 아래와 같은 세 가지 성질을 발견하게 되고, 음극선이 음의 전하를 띠고 질량을 가진 입자의 흐름이라는 것을 알게 되죠. 전자가 발견된 실험입니다. 이를 바탕으로 톰슨은 원자가 중성이라는 사실에 착안하여 (+) 전하를 띠고 있는 원자 속에 (-) 전하를 가지는 전자가 박혀있는 건포도 푸딩 모형(plum pudding model)이라고 불리는 원자모형을 제안하게 됩니다.

톰슨은 전자를 발견하고 원자에 대해 건포도 푸딩 모형을 제안한다. 이미지 출처: bbc.co.uk