19世紀 科學者들의 놀라운 장난감이었던 陰極線은 X선(1895년)과 放射能(1896年)의 發見을 凱歌를 올렸다. 정작 陰極線의 正體를 糾明한 것은 1897年이었다. 그 主人公은 英國의 조지프 존 톰슨이다. 元來 톰슨의 專攻은 數學이었다. 1884年부터 1919年까지는 캐번디시 硏究所長職을 歷任했다. 이 期間 동안 톰슨은 實驗物理學에서 큰 業績을 남겼다. 그의 後任들도 歷史에 남을 寄與를 많이 했으니 훌륭한 스승이었다고도 할 수 있다. 20世紀 初盤까지 캐번디시 硏究所는 物理學의 尖端을 내달리는 硏究所라 할 수 있었다. 얄궂게도 톰슨 自身은 實驗 自體에는 全혀 素質이 없었다고 한다.
톰슨이 陰極線 硏究에 本格的으로 뛰어들었을 때에는 陰極線의 本質에 對해 相反된 主張들(粒子인가 波動인가)이 엇갈리고 있었다. 獨逸의 헤르츠는 波動說을 支持했다. 그는 陰極線에 電氣場을 加했으나 그 어떤 變化도 觀測하지 못했다. 萬若 陰極線이 電氣的으로 帶電된 粒子라면 外部 電氣場에 對해 反應해야 하기 때문이다.
톰슨은 헤르츠의 結果를 뒤집고 電氣場에 依해 陰極線이 휘어지는 結果를 얻었다. 電氣場의 方向에 陰極線이 어느 方向으로 反應하는가에 따라 그 電荷를 決定할 수 있는데 結果는 陰의 傳하였다. 陰極線이 外部의 磁石이 發揮하는 磁氣場에 依해서도 휘어진다는 事實은 이미 알려져 있었다. 그렇다면 이런 實驗的 結果로부터 톰슨은 어떻게 陰極線이 ‘電子’라는 새로운 粒子의 흐름이라고 斷定할 수 있었을까?
. 英國의 物理學者 조지프 존 톰슨은 電子와 同位元素를 發見하였다. 그는 電氣 傳導에 關한 實驗的 硏究, 電子를 發見한 것으로 1906年 노벨 物理學賞을 受賞했다. 동아사이언스DB
陰極線을 陰의 電氣를 띤 어떤 작은 粒子들의 흐름이라고 생각하면 이 粒子가 電氣場과 磁氣場에 依해서 휘어지는 程度를 뉴턴力學과 電磁氣學을 利用해 쉽게 記述할 수 있다. 普通 電氣場이 作用하는 區間은 陰極線이 進行하는 全體 經路에서 宏壯히 짧은 區間이다. 그 짧은 區間 동안 陰極線은 電氣場에 依해 힘을 받아 加速運動을 한다. 이 過程에서 陰極線의 經路가 꺾인다. 電氣場 區間을 벗어난 뒤에는 陰極線이 아무런 힘을 받지 않으므로(중력은 無視한다.) 힘이 作用하지 않는 等速運動으로 進行한다. 그 結果 電氣場 때문에 陰極線이 휘어지는 程度는 陰極線을 構成하는 粒子의 質量과 電荷量과 速度, 그리고 나머지 쉽게 알 수 있는 變數들로 表現할 수 있다.
여기에 磁氣場에 依해 陰極線이 꺾이는 實驗結果를 結合한다. 磁氣場이 陰極線을 휘는 狀況도 電氣場의 境遇와 비슷하다. 다만 磁氣場이 陰極線에 힘을 發揮하는 디테일이 조금 다르다. 그 結果 磁氣場이 陰極線을 휘는 程度는 다시 陰極線을 構成하는 粒子의 質量과 電荷量과 速度, 그리고 나머지 알려진 變數들로 表現된다. 공교롭게도 電氣場의 影響에서든 磁氣場의 影響에서든 質量과 電荷量은 恒常 電荷量 나누기 質量의 形態로 그 모습을 드러낸다. 이 값을 흔히 비전하라 부른다.
이제 電氣場이 陰極線을 휘는 程度와 磁氣場이 휘는 程度를 實驗으로 觀測해서 이를 理論的인 計算값과 比較하면, 세 個의 未知數(質量, 電荷量, 速度)에 對해 두 個의 方程式을 얻는다. 그런데 質量과 電荷量은 비전하라는 比率 形態로만 나타나니까 이걸 하나의 變數로 생각하면 非電荷와 速度라는 2變數에 對한 2個의 聯立方程式이 存在하는 셈이다. 그 結果 이 聯立方程式을 풀면 陰極線을 이루는 粒子의 速度와 非電荷를 알 수 있다.
非電荷를 測定하는 데에는 또 다른 方法도 있다. 에너지를 利用하는 方法이다. 眞空管 속에 金屬執典者를 設置해 陰極線이 와서 부딪히게 한다. 이렇게 되면 陰極線을 構成하는 粒子들이 갖고 있던 運動에너지가 執典者에 傳達돼 그 溫度를 높이게 된다. 卽, 陰極線의 運動에너지가 執典者의 열에너지로 轉換된다. 그 程度는 正確히 똑같을 것이다. 이때 執典者의 增加한 全體 열에너지를 全體 電荷量으로 나누면 하나의 粒子가 傳達한 運動에너지를 그 粒子의 電荷量으로 나눈 값과 같다. 그런데 粒子의 運動에너지는 質量과 速度의 제곱의 곱에 比例하므로 이 關係에서 다시 陰電荷 粒子의 比電荷 값이 介入하게 된다. 이 結果와 磁氣場에 依해 陰極線이 휘는 結果를 結合하면 陰極線 粒子의 比電荷 값을 다시 求할 수 있다.
톰슨의 殿下 臺 質量 비 測定方式. 위키미디어 提供
톰슨이 두 가지 方法으로 救한 比電荷 값이 서로 完全히 一致하지는 않았다. 電氣場과 磁氣場에 依한 變位로 求한 값은 只今 우리가 알고 있는 實際 값의 約 2倍에 가까운 값이었다. 反面 에너지를 利用한 方法에서는 實際 값에 가까운 값과 電氣場/磁氣場 結果에 가까운 값을 함께 얻었다. 톰슨은 後者의 結果를 더 信奉했다고 한다.
比電荷 값은 質量에 對한 電荷量의 比率이므로 質量과 電荷量 各各의 값을 알 수는 없다. 다만 다른 알려진 大田粒子들, 特히 이온들에 對한 값과 比較해 볼 수는 있다. 陰極線 粒子의 比電荷 값은 다른 이온들에 比해 千 倍 以上으로 무척 크다. 어떤 比率의 값이 크다면 分子(電荷量)가 클 수도 있고 分母(質量)李 작을 수도 있다. 陰極線 粒子의 境遇는 어디에 該當할까? 이온은 中性의 狀態에서 電氣 電荷量이 몇 個 더해지거나 모자란 狀態이므로 여기서 큰 差異가 난다고 보기는 어렵다. 따라서 陰極線 粒子의 質量이 잘 알려진 이온의 粒子보다 千 倍 程度 작다고 결론지을 수 있다.
톰슨은 電極의 才質을 알루미늄, 白金 等으로 바꾸고 眞空管에 남아 있는 稀薄한 機體의 種類도 바꿔가며 實驗을 繼續했고 電極이나 氣體의 種類와 相關없이 거의 一定한 比電荷 값을 얻었다. 이는 陰極線을 構成하는 粒子가 物質의 種類와 相關없이 普遍的으로 存在하는 粒子임을 强力하게 示唆하는 것이다. 게다가 이 粒子는 그때까지 알려진 다른 元素들의 이온보다 훨씬 더 가볍다. 그렇다면 陰極線의 正體는 모든 元素들에 普遍的으로 들어있는, 陰의 電氣를 띠는 매우 가벼운 새로운 種類의 粒子라고 結論을 내릴 수 있다. 이 粒子가 바로 電子이다.
톰슨의 原子模型. 元子는 均一하게 分布된 陽電氣의 共 안에 電子들이 마치 乾葡萄처럼 들어있다고 생각했다. 科學東亞DB
電子(electron)의 語源은 호박(amber)을 뜻하는 그리스 單語이다. 電氣(electricity)도 여기서 派生된 말인데, 이는 古代 그리스 時節부터 호박 等을 문질렀을 때 摩擦電氣가 생기는 現象을 알고 있었기 때문이다.
톰슨이 電子의 發見者로 歷史에 이름을 남길 수 있었던 것은 이런 過程의 總體的인 結果였다. 特히 톰슨 스스로가 陰極線의 實體가 새로운 粒子라고 解釋하고 規定한 것이 奏效했다. 톰슨과 比較되는 사람이 獨逸의 발터 카우프만이었다. 카우프만度 陰極線을 熱心히 硏究했고 甚至於 톰슨보다도 훨씬 더 좋은 比電荷 값을 얻었다. 카우프만이 非電荷를 測定한 方式도 에너지와 關係가 있다. 陰極線을 構成하는 粒子가 陰電極에서 튀어나와 飛行할 수 있는 根本的인 理由는 眞空管 속 陰極과 陽極 사이의 電壓差異 때문이다. 電壓이란 달리 말해 單位 電荷量에 對한 電氣的인 퍼텐셜에너지이다. 따라서 이 퍼텐셜에너지가 陰極線 粒子의 運動에너지로 轉換되었다고 생각할 수 있다. 이 狀況은 높은 곳에서 沙果가 떨어지는 現象과 本質的으로 다르지 않다. 높은 가지에 매달려 있는 謝過는 重力퍼텐셜이 크다. 謝過가 가지에서 떨어져 땅으로 落下하면 重力퍼텐셜이 謝過의 運動에너지로 바뀐다. 이 關係를 利用하면 謝過가 紙面에 到達할 때의 速度를 쉽게 求할 수 있다. 카우프만은 이런 方式으로 非電荷를 求했고 그 結果는 톰슨의 結果에 비해 實際 값에 훨씬 더 가까웠다.
그럼에도 카우프만은 새로운 粒子라는 槪念 自體가 없었다. 이는 19世紀 中後半 유럽大陸의 雰圍氣와 關聯이 있다. 當時 大陸에서는 오스트리아의 에른스트 마흐가 主唱한 이른바 마흐주의가 橫行했었다. 마흐주의란 人間의 直觀的인 觀察經驗으로 얻을 수 있는 知識만 科學的이라는 思考方式이다. 마흐주의에 따르면 人間이 直接 經驗할 수 없는 領域은 科學의 硏究對象이 아니게 된다. 마흐주의의 影響에 따라 20世紀 初盤까지도 原子論이 主流 科學界에 安着할 수 없었다. 돌턴이 近代的인 原子論을 들고 나온 것이 1803年이고 19世紀 中盤 以後로는 氣體分子運動을 利用해 熱 現象을 記述하는 試圖들이 成功的이었음에도 主流 科學界에서는 大體로 人間이 直接 經驗할 수 없는 對象을 自然에 實際로 存在하는 實體로 받아들이기를 꺼렸다. 카우프만度 그런 傳統에 屬해 있던 科學者여서 톰슨보다 훨씬 더 좋은 實驗結果를 얻었음에도 그 結果를 積極的으로 解釋하는 데에 失敗했다. 톰슨은 이런 傳統에서 비껴나 있었고 오히려 原子論의 傳統에 가까웠다.
이 事例는 酸素의 發見者가 누구인가 하는 論難과도 닮은 點이 있다. 수隱才로부터 酸素를 처음 分離한 것은 英國의 조지프 프리스틀리였으나 그는 이를 空氣의 어떤 새로운 狀態로 여겼을 뿐이었다. 프리스틀리는 如前히 前近代的인 플로지스톤의 패러다임 속에서 燃燒現象을 理解하고 있었다. 反面 프리스틀리에 뒤이어 酸素를 分離한 프랑스의 앙투안 라부아지에는 自身이 分離한 物質이 새로운 氣體임을 明確히 했다.
톰슨이 電子를 發見했다는 事實은 原子論의 立場에서도 큰 打擊이었다. 왜냐하면 元子는 더 以上 쪼개지지 않는 (그래서 atom이라고 부르지 않았던가) 自然의 最小單位라고 생각했는데, 톰슨은 그 안에 陰의 電氣를 띠고 있는 훨씬 더 가벼운 要素가 있다고 主張한 것이기 때문이다. 한마디로 原子는 쪼개질 수 있다. 이렇게 되면 元子는 더 以上 '아톰(atom)'이 아니게 된다. 몰論 그럼에도 우리는 如前히 原子(atom)라는 말을 쓰고 있다. 또한 原子는 이 世上을 構成하는 가장 重要한 基本單位 中 하나이기도 하다.
原子가 쪼개질 수 있다면 보다 複雜한 問題들이 생긴다. 原子가 쪼개지지 않는 自然의 最小單位이면 모든 論議는 原子에서 끝난다. 그 下部單位로 내려갈 수 없기 때문이다. 反面 原子가 쪼개질 수 있고 그 안에 原子 自體보다 훨씬 더 작은 構成要素가 숨어있다면 原子는 하나의 構造物이 되는 것이고 그 ‘內部構造’가 어떠한지를 糾明해야하는 宿題가 남는다. 當場 電子가 陰의 電氣를 띠고 있다면 이를 相殺시킬 量의 電氣는 어떻게 되는가 하는 疑問이 남는다. 卽, 原子는 이제 더 以上 쪼갤 수 없는 點粒子에서 갑자기 內部構造를 갖는 複雜한 構造物이 돼 버린 것이다. 이에 따라 科學者들은 그 內部構造를 밝히기 위한 새로운 旅程을 始作할 수밖에 없게 되었다. 이것이 原子模型의 出發이다. 電子를 發見한 톰슨이 그 先頭에 섰음은 너무나 當然했다.
※參考文獻
-스티븐 와인버그, 《亞原子粒子의 發見》(박배식 옮김), 민음사.
-스티븐 와인버그, 《最終理論의 꿈》(이종필 옮김), 사이언스북스.
※筆者紹介
이종필
粒子理論 物理學者. 건국대 尙虛敎養大學에서 敎養科學을 가르치고 있다. 《神의 粒子를 찾아서》,《대통령을 위한 科學에세이》, 《物理學 클래식》, 《이종필 敎授의 인터스텔라》,《아주 특별한 相對性理論 講義》, 《사이언스 브런치》,《빛의 速度로 理解하는 相對性理論》을 썼고 《最終理論의 꿈》, 《블랙홀 戰爭》, 《物理의 定石》 을 옮겼다. 한국일보에 《이종필의 제5원소》를 連載하고 있다.
