전자 - Electron

전자 - Electron

전자는 아원자 입자, e- 또는 β- 로 표기한다. 전자는 렙톤 입자 계열의 1세대인 에 속하며, 알려진 성분이나 하부 구조가 없기 때문에 일반적으로 소립자로 생각된다. 전자는 양자의 약 1/1836 질량을 가지고 있다. 전자의 양자역학적 특성은 감소된 플랑크 상수인 페르미온단위로 표현되는 반정자 값의 내적 각운동량(spin)을 포함한다. 페르미온은 두 전자가 파울리 배제 원리에 따라 동일한 양자 상태를 점유할 수 없다. 모든 소립자와 마찬가지로 전자는 입자와 파동 모두의 특성을 보인다: 전자는 다른 입자와 충돌할 수 있고 빛처럼 확산될 수 있다. 전자의 파동 특성은 전자가 질량이 낮기 때문에 주어진 에너지에 대해 드 브로글리 파장이 길기 때문에 중성자나 양성자와 같은 다른 입자의 파동보다 실험으로 관찰하기 쉽다.

전자는 전기, 자기, 화학, 열전도율과 같은 수많은 물리적 현상에 필수적인 역할을 하며, 중력, 전자기, 약한 상호작용에도 참여한다. 전자에는 전하가 있기 때문에, 전자는 주위의 전기장이 있고, 만약 그 전자가 관찰자에 비해 상대적으로 움직이고 있다면, 관찰자는 자기장을 생성하기 위해 그것을 관찰할 것이라고 말했다. 다른 선원에서 생성된 전자기장은 로렌츠 힘 법칙에 따라 전자의 운동에 영향을 줄 것이다. 전자는 가속할 때 광자의 형태로 에너지를 방사하거나 흡수한다. 실험용 기구는 전자기장을 이용하여 전자 플라즈마뿐만 아니라 개별 전자도 포획할 수 있다. 특수 망원경은 우주에서 전자 플라즈마를 탐지할 수 있다. 전자들은 전자, 용접, 음극선관, 전자현미경, 방사선 치료, 레이저, 기체 이온화 검출기, 입자 가속기와 같은 많은 용도에 관여한다.

다른 아원자 입자와 전자와 관련된 상호작용은 화학이나 핵물리학과 같은 분야에 관심이 있다. 원자핵 내의 양성자와 없는 음전자 사이의 쿨롱 힘 상호작용은 원자로 알려진 두 개의 구성을 허용한다. 이온화 또는 음전자와 양의 핵의 비율의 차이는 원자계의 결합 에너지를 변화시킨다. 두 개 이상의 원자 사이의 전자의 교환이나 공유는 화학적 결합의 주요 원인이다. 1838년 영국의 자연철학자 리차드 라밍은 원자의 화학적 성질을 설명하기 위해 불가분의 전하의 양이라는 개념을 처음으로 가설했다. 아일랜드 물리학자 조지 존스톤 스토니는 1891년 이 전하를 '전자'라고 명명했고, J. J. 톰슨과 그의 영국 물리학자 팀은 1897년 이 전하를 입자로 확인했다. 전자는 별의 핵합성과 같은 핵반응에도 참여할 수 있는데, 여기서 베타 입자로 알려져 있다. 전자는 방사성 동위원소의 베타 붕괴와 고에너지 충돌로 생성될 수 있다. 예를 들어 우주선이 대기 중으로 들어올 때 말이다. 전자의 항전사는 양전자라고 불린다. 전자는 반대 기호의 전기와 다른 전하를 가지고 있다는 것을 제외하고는 전자와 동일하다. 전자가 양전자와 충돌하면 두 입자가 모두 전멸되어 감마선 광자가 생성된다.

분류

입자물리학 표준모형에서 전자는 렙톤이라고 불리는 아원자 입자 그룹에 속하는데, 이 입자는 기초 입자 또는 소립자로 여겨진다. 전자는 어떤 충전된 렙톤(또는 어떤 유형의 전기적으로 충전된 입자)의 질량이 가장 낮으며, 1세대 기본 입자에 속한다. 2세대와 3세대에는 전하 렙톤, 뮤온, 타우가 들어 있는데, 이는 담당 전자, 스핀, 상호작용과 동일하지만 더 거대하다. 렙톤은 강력한 상호작용의 결여로 인해 물질의 다른 기본 구성 요소인 쿼크와 다르다. 렙톤 그룹의 모든 구성원들은 페르미온이다. 왜냐하면 그들은 모두 반 오드 정수 스핀을 가지고 있기 때문이다. 전자는 ½ 스핀을 가지고 있다. 

기본 속성

전자의 불변 질량은 대략 9.109×10^-31kg 또는 5.489×10^-4 원자 질량 단위다. 아인슈타인의 질량-에너지 동등성 원리에 기초하여 이 질량은 0.511 MeV의 휴식 에너지에 해당한다. 양성자의 질량과 전자의 질량의 비율은 약 1836년이다. 천문학적 측정은 양성자 대 전자 질량 비율이 적어도 절반의 연령 동안 표준 모델에 의해 예측된 것과 동일한 값을 가지고 있음을 보여준다. 전자는 -1.602176634×10^-19 카울러스의 전하를 가지며, 이 전하를 아원자 입자의 표준 전하 단위로 사용하며, 초전하라고도 한다. 실험 정확도의 한계 내에서 전자 전하가 양성자의 전하와 동일하지만, 반대 기호를 가지고 있다. 기호 e가 기본 전하를 위해 사용되기 때문에 전자는 일반적으로 e-로 상징되며 여기서 마이너스 부호는 음전하를 나타낸다. 양전자는 전자와 성질은 같지만 음전하보다는 양전하를 가지고 있기 때문에 e+로 상징된다.

전자는 본질적으로 각운동량이나 스핀이 1/2이다. 이 성질은 보통 전자를 스핀-1/2 입자로 언급함으로써 명시된다. 그러한 입자의 경우 스핀 크기는 ħ/2인 반면, 어떤 축에 대한 스핀 투영 측정의 결과는 ±ħ/2일 수 있다. 전자는 스핀 외에도 스핀 축을 따라 본질적인 자기 모멘트를 가지고 있다. 그것은 대략 한 보어 마그네톤과 같으며, 테슬라 당 9.27400915(23)×10^-24줄과 같은 물리적 상수다. 전자의 운동량에 대한 스핀의 방향은 나선성으로 알려진 소립자의 속성을 정의한다. 전자의 반지름 문제는 현대 이론물리학의 난제다. 전자의 유한반경에 대한 가설을 인정하는 것은 상대성 이론의 전제와는 양립할 수 없다. 반면에 점 같은 전자는 무한에 이르는 전자의 자기 에너지로 인해 심각한 수학적 어려움을 일으킨다. 페닝 트랩에서 단일 전자를 관찰한 결과 입자 반지름의 상한은 10^-22m로 추정된다. 전자 반지름 10^-18m의 상한은 에너지의 불확실성 관계를 이용하여 도출할 수 있다. 또한 "전자기반경"이라고 불리는 물리 상수가 있는데, 그 값이 양성자의 반지름보다 훨씬 큰 2.8179×10^-15m이다. 그러나 이 용어는 양자역학의 영향을 무시하는 단순한 계산에서 유래한다; 실제로는 소위 고전전자반경은 전자의 진정한 근본적인 구조와는 거의 관계가 없다. 더 적은 양의 입자로 자연적으로 붕괴되는 기본적인 입자들이 있다. 그 예로는 무온의 평균 수명이 2.2×10^-6초로 전자, 뮤온 중성미자, 전자 안티뉴트리노로 소멸된다. 반면에 전자는 이론적인 근거에서 안정적이라고 생각되는데, 전자는 0이 아닌 전하를 가진 가장 큰 입자이기 때문에 그 붕괴는 전하 보존에 위반될 것이다. 전자의 평균 수명에 대한 실험 하한은 90% 신뢰 수준에서 6.6×10^28년이다.