전자

분류: 물리학, 물리화학, 기본 입자, 페르미온, 렙톤, 원자 구성 입자
기본 입자
Elementary Particle
𝑢

𝑑

𝑒

𝑒

𝑔

𝐻

𝑐

𝑠

𝑡

𝑏

𝑊
+

𝑊

𝑍
0

원자 구성 입자
원자핵
전자
핵자
양성자
중성자
업 쿼크 + 다운 쿼크 + 참 쿼크※
※: 2022년 8월 17일자 네이처지 참고

  1. 개요
  2. 물리적 성질
  3. 화학적 성질
  4. 여담

안개상자 속 탄소14가 베타붕괴하면서 방출하는 전자의 궤적[1]

  1. 개요[편집]
    e
    e / 電子 / Electron[2], Negatron[3]

음전하를 띠며 원자를 구성하는 렙톤 입자로, 원자핵 주변을 떠도는 입자입니다.

전자란 원자 구조의 가장 먼저 발견된 입자이며, 1897년 조지프 존 톰슨이 진공 방전 현상을 연구하는 과정에서 발견하였습니다. 이 발견으로 원자는 더 이상 쪼갤 수 없는 기본 입자라는 존 돌턴의 원자설은 수정되었습니다. 전자는 원자핵을 중심으로 입체적으로 존재합니다.[4]

현재까지 인류가 발견한 가장 완벽에 가까운 구형 입자로 평가됩니다. 전자를 지구 크기만큼 확대해도 그 오차 범위를 알 수 없으며, 태양계 크기로 확대해야 겨우 머리카락 한 올 정도의 오차가 생깁니다.

  1. 물리적 성질[편집]
    전자가 점입자인지 여부는 아직 확정되지 않았으나, 만약 크기가 0이 아니라면 그 상한선은 약 10^-18 m로 보고 있습니다. 고전역학적으로 전자의 반지름은 약 2.8×10^-15 m입니다. 전하는 -1.602 176 634 8×10^-19 C이며, 양성자와 전하량의 부호는 반대지만 크기는 동일합니다. 정지 질량은 9.109 382 91(40)×10^-31 kg 또는 510.998 928(11) keV/c²로, 이는 양성자의 약 1/1836.152 672 45(75)배에 해당합니다. 양성자나 중성자에 비해 매우 작은 질량 때문에 원자의 질량 계산 시 전자의 질량은 보통 무시됩니다. 전자의 수명은 90% 신뢰도로 >4.6×10^24 년이며, 자기 모멘트 값은 (g-2)/2=1159.65218076(27)×10^-6입니다.

양성자는 양전하를, 전자는 음전하를 띠며, 대부분의 원자들은 양성자와 전자의 수가 같아 전기적으로 중성을 이룹니다. 하지만 물질 간의 마찰로 인해 전자가 이동하며 음전하나 양전하를 가지게 되는 경우가 많습니다. 이런 경우를 대전되었다고 표현하며, 음전하가 많아진 경우를 음으로 대전, 반대의 경우를 양으로 대전이라 합니다.

특히, 전자를 잃거나 얻은 원자나 원자단을 이온이라고 하며, 양이온과 음이온으로 구분됩니다. 예를 들어, 나트륨 이온(Na+), 염화 이온(Cl-) 등이 대표적입니다.

  1. 화학적 성질[편집]
    전자
    전자 이동은 원자 간 화학 결합에 중요한 역할을 합니다. 전자의 이동과 배치는 분자 구조와 화학 결합 상태를 이해하는 데 필수적입니다.

화학을 전공하는 학생들은 전자의 이동을 중요한 학문적 주제로 다룹니다. 학부 과정에서 이온과 옥텟 규칙을 배우며 전자의 역할을 이해하기 시작하고, 전공 과정에서는 전자 이동 중심의 화학 반응을 공부합니다. 유기화학에서는 반응 메커니즘을 통해 전자의 이동 경로를 예측합니다. 메커니즘을 그릴 수 없으면 반응 이해 자체가 불가능하므로, 이를 이해하는 능력이 중요합니다.

심화 과정에서는 양자역학의 오비탈 이론을 배우며, 반응은 양자역학적으로 가능한 방향으로 설명됩니다. 이는 물리화학의 열역학을 통해 더욱 명확해집니다.

  1. 여담
    학생들은 종종 “전파가 전자인가요?” 혹은 “전자파가 전자인가요?” 같은 질문을 합니다. 전자파의 “자”는 자석이나 자기장을 의미하는 磁이며, 전자(電子)의 “자”와는 다릅니다. 전자파는 광자이며 광속으로 이동하지만, 전자는 빛이 아니며 광속으로 이동하지 않습니다. 전자가 에너지를 방출하거나 흡수할 때 광자가 생성되지만, 전자 자체는 광자가 아닙니다.

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