현대 과학은 쪼갤 수 없는 특정한 질량으로 존재하는 물질인 원자 모형에 의해 질량 법칙들을 쉽게 설명할 수 있다. 그러나 1808년 돌턴John Dalton이 <화학 철학의 새로운 체계, A New System of Chemical Philosophy>에서 물질의 원자 이론을 제시한 것은 질량 법칙을 설명할 방법을 마련한 것이었다.
돌턴의 원자론
돌턴은 이론을 일련의 가정들로 설명하였다. 그 가정들은 다음과 같다.
1. 모든 물질은 원자atom으로 구성되어 있는데 이것은 새로 생겨나지도 않고 사라지지도 않는 각각의 작은 개별적 원소로 이루어진다.
2. 한 원소의 원자는 다른 원소의 원자로 바뀔 수 없다. 화학 반응에서 원래 물질의 원자들은 다른 물질을 형성하기 위해 재결합한다.
3. 원소의 원자는 동일한 질량과 성질을 갖고 다른 원소의 원자들과는 다른 성질을 갖는다.
4. 화합물은 다른 원소의 원자들이 특정비로 화학 결합함으로써 생성된다.
이러한 돌턴의 가정은 질량법칙을 설명할 수 있다.
질량 보존의 법칙 : 원자는 새로 생겨나거나 사라지지 않고(가정1) 또는 다른 원자로 바뀌지 않는다(가정 2). 각 원자 형태가 고정된 질량값을 가지므로(가정 3) 원자들이 다른 비율로 결합하는 화학 반응은 질량 변화를 가능하케 하지 못한다.
일정 성분비 법칙 : 화합물은 서로 다른 원자의 일정한 비율의 결합이다(가정4). 각각은 특정한 질량을 가지고 있으므로(가정 3) 각 원자는 전체 질량의 일정한 부분을 구성한다.
또한 <화학 철학의 새로운 체계, A New System of Chemical Philosophy>에서 그는 다음과 같이 원자는 간단한 정수비로 결합하여 화합물을 형성한다고 제안하였다.
모든 균일한 물체의 궁극적인 입자는 무게, 모양 등에서 정확히 같다. 다른 말로 표현하면, 물의 개개 입자는 다른 모든 물의 입자와 동일하고, 모든 수소 입자는 모든 다른 수소 입자와 동일하다.
<화학 철학의 새로운 체계, A New System of Chemical Philosophy>
원자의 구조
19세기 전기에 대해 연구하는 과학자들은 물질과 전기적 전하가 다소 관련이 있다는 것을 알았다. 하지만 과학자들은 전류 자체가 무엇으로 이루어져있는지는 몰랐다. 즉 전기현상이 어떤 것으로 인해 생겨나는지 알지 못했다.
1897년 영국의 물리학자 J.J 톰슨Sir Joseph John Thomson은 외부 전원에 연결되어 있는 금속 전극으로 채워진 진공 상태의 밀봉된 유리관 안에 높은 전압을 걸어주어 전류를 흘려주는 시도를 했다. 전원을 켜면 '광선'이 인이 발라져있는 관 끝을 때리고, 이때 빛이 나는 것을 볼 수 있다. 이 광선은 음극Cathode 에서 발생해서 양극Anode로 움직여서 음극선Cathode ray라고 불렀다.
[음극선 실험을 하는 크룩스관]
음극에서 나오는 알 수 없는 이 '광선'은 직진을 하고, 자기장 안에서는 휘어짐을 통해 전하를 띠고 있음을 알 수 있다. 또한 전기장 안에서는 양극판 쪽으로 휘어진다. 이 '광선'은 음극으로 사용되는 금속에 상관없이 동일한 성질을 가졌다. 이것으로 음극선은 모든 물질에 존재하고 있는 음의 전하를 띤 입자로 구성되어 있다고 결론지을 수 있었다. 음극선을 구성하는 입자는 후에 전자Electron으로 이름이 붙여졌다.
톰슨은 자기장과 전기장을 이용하여 음극선의 입자의 질량 대 전하비mass to charge ratio를 측정했다. 톰슨은 음극선의 입자들은 가장 작은 원자인 수소의 질량보다 1/1000 되는 무게를 갖는다고 추정하였다. 톰슨은 돌턴의 원자설과 달리 원자가 더 이상 작은 입자로 나누어질 수 있다는 것을 알고 충격을 받았다. 동료 과학자들은 처음에 그것을 믿지 않았고, 몇몇은 톰슨이 농담을 하고 있다고 생각했다. 하지만 톰슨은 이 연구에 대한 공로로 1906년 노벨 물리학상을 수상하게 된다.
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기체의 전도성에 대한 이론적, 실험적 연구 - 1906년 노벨 물리학상, 조지프 톰슨, Joseph John Thomson
전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
실생활에서 전기의 중요성은 날로 증가하고 있습니다. 전기의 개념은 몇십 년 전만 하더라도 지식인의 실험실에서나 진행되는 조용한 학문 탐구의 대상이었습니다만, 이제는 시끌벅적한 대중적 화제가 되었습니다. 대부분의 사람들이 무게나 질량처럼 전기에 익숙해질 날이 조만간 올 것입니다. 그러나 중요한 것은 전기를 연구하는 과학자들에 의해 과학계에 혁명이 일어나고 있다는 것입니다. 1820년 외스테드가 전류에 의해 자침이 움직이는 현상을 발견하자마자, 프랑스의 천재적인 과학자 암페어가 전기로 유도된 자기 현상을 설명하는 이론을 내놓았습니다. 스코틀랜드의 유능한 물리학자인 맥스웰의 이론적 연구는 이 현상들을 설명하는 데서 더 나아가 빛이 에테르 내에서 일어나는 전자기의 파동임을 증명하였습니다. 지난 몇 년간 일어났던 가스 내 전기방전에 관한 위대한 발견들도 이에 버금가거나 더 중요한 것임은 의심할 여지가 없습니다. 왜냐하면 그 발견들이 물질에 대한 이해를 크게 발전시킬 것이기 때문입니다. 올해의 물리학상 수상자인 케임브리지 대학교의 톰슨 교수는 지난 수년간 주도 면밀한 연구를 추진하여 이 분야에서 가장 핵심적인 기여를 했습니다.
1834년 패러데이는 모든 원자들이 원자가에 따라 수소원자의 전하 혹은 그 배수에 해당하는 전하를 띤다는 매우 중요한 사실을 발견했습니다. 이 발견이 있자 헬름홀츠를 포함한 많은 사람들은 자연스럽게 수소 원자 고유의 전하량으로서의 단위전하, 다시 말해 전기의 원자를 거론하게 되었습니다.
패러데이의 법칙을 달리 표현하자면 1그램의 수소(혹은 이에 상당하는 질량이 다른 원소)는 28950 × 1010의 정전하를 띤다는 것입니다. 1그램의 수소에 얼마나 많은 수소 원자가 있는지를 알기만 하면, 우리는 각각의 수소원자 한 개가 가지는 전하를 계산할 수 있습니다. 지난 세기 과학자들 사이에 가장 인기가 있는 연구주제였던 기체동역학은 가스가 자유로이 움직이는 분자들로 되어 있다는 가정에 바탕을 두고 있는데, 압력이란 바로 이들 분자들이 가스를 가두는 벽에 부딪치는 충격량입니다. 따라서 압력으로부터 정확하게 가스분자들의 속도를 계산할 수 있습니다. 또한 가스가 확산하는 속도나 이와 밀접한 현상들로부터 분자들이 차지하는 공간의 부피를 정확히 계산할 수 있습니다.
이런 방법으로 과학자들은 분자의 질량을 알 수 있었으며, 수소와 같은 화학물질 1그램 속에 들어있는 원자 수를 계산할 수 있었습니다. 그러나 이렇게 얻어진 값이 아주 정확하다고 주장할 수는 없었으며 많은 과학자들은 추측에 불과하다고 생각하였습니다. 고성능 현미경으로 물 한 방울 속의 분자 수를 셀 수 있었다면 상황은 크게 달라졌을 것입니다만, 그럴 가능성은 없었고 따라서 분자의 존재는 다만 많은 문제를 가진 것으로 생각되었습니다. 어쨋든 가스동역학의 추론 결과가 분자나 원자의 크기에 대한 가장 근접한 값을 준다고 전제하고 수소 원자 하나의 전하량을 계산하면, 그 값은 정전하 단위로 1.3 × 10-10 에서 6.1 × 10-10 사이의 값을 갖는다는 결론에 도달합니다.
그러나 톰슨 교수는 아무도 생각하지 못한 교묘한 방법으로 알아내었습니다. 1887년에 리하르트 폰 헬름홀츠는 전하를 띤 작은 입자는 그 주위에 수증기를 응결시키는 특성이 있음을 발견했습니다. 톰슨 교수와 그의 학생인 윌슨은 이 현상을 그들의 연구에 활용했습니다. 그들은 뢴트겐선을 이용하여 공기 중에서 전하를 띤 작은 입자를 얻을 수 있었습니다. 톰슨 교수는 이 입자들이 단위전하량을 가진다고 가정하였습니다. 그는 공기중의 전기량을 측정함으로써 주어진 양의 공기중에 어느정도 전하가 존재하는지를 계산하였습니다. 그러고는 수증기로 포화된 공기를 갑자기 팽창시켜 수증기가 전하를 띤 입자에 의해 응결하도록 만들고, 응결된 방울이 가라앉는 속도로부터 그 크기를 계산하였습니다.
이제 응결된 물의 양과 각각의 응결된 방울의 크기를 알게 되었으므로 그는 응결된 방울의 수를 어렵지 않게 계산할 수 있었는데, 그 수가 바로 전하를 띤 작은 입자의 숫자에 해당하는 것입니다. 통 속의 전체 전하량을 이미 측정하였으므로 그는 전하를 띤 작은 입자들이었던 물방울의 각각의 전하량, 즉 단위전하량을 구할 수 있었습니다. 그 값은 정전하 단위로 3.4 × 10-10 입니다. 이 값은 가스 동역학 분석에서 얻은 값으 평균치에 대단히 근접한 것이었습니다. 이 결과는 서로 다른 두 측정 방법에서 모두 일치하였으며, 이는 단위전하값을 얻기까지 그들이 사용한 추론이 대단히 정확했음을 보여줍니다.
톰슨 교수가 실제로 원자를 본 것은 아니지만 그는 각각의 원자가 지닌 전하량을 측정함으로써 그에 버금가는 성취를 이루었습니다. 이 관찰을 통해 그는 1기압 0도의 가스 1세제곱센티미터 안에 들어있는 분자의 수를 계산할 수 있었습니다. 말하자면 물질계에서 가장 근본적인 자연 상수를 얻어낸 것입니다. 그 숫자는 40 × 1018개보다 작지 않은 값입니다. 대단히 독창적인 실험으로 톰슨 교수는 학생들과 함께 전하를 띤 작은 입자들의 질량이나 주어진 힘에 의해 유발되는 속도 같은 매우 중요한 특성들을 결정하였습니다. 전하를 띤 입자를 만들기 위해 뢴트겐선, 베크렐선, 자외선, 바늘 끝의 아크방전, 그리고 백열광 같은 다양한 방법이 사용되었습니다. 이중 가장 괄목할 만한 것은 낮은 압력의 가스에서 생성된 음극선 내의 전하 입자였습니다. 전자로 불리는 이 작은 입자는 많은 과학자들의 오랜 연구 주제였으며, 작년의 노벨 물리학상 수상자인 레나르트 교수와 톰슨 교수는 그 연구의 선두에 서 있습니다. 이들 작은 입자들은 방사능 물질에서 방출되는 베타선에서도 발견되었습니다. 톰슨 교수의 연구 결과에 따라 이 입자들이 음의 단위 전하를 띤다고 가정하면, 우리는 이 입자가 가장 작은 원자로 알려진 수소 원자보다 질량이 약 1,000배나 작다는 결론에 도달하게 됩니다.
한편 톰슨 교수와 빈 그리고 다른 학자들의 계산에 따르면 양으로 대전된 가장 작은 입자는 보통의 원자와 같은 정도의 질량입니다. 지금까지 모든 물질들은 음으로 대전된 전자를 방출할 수 있다는 연구사실로부터 톰슨 교수는 음전하를 띤 전자만이 실존하며, 양전하를 띤 작은 입자는 중성의 원자가 전하를 띤 전자를 잃었기 때문에 생겼다고 추론하였습니다. 이로써 톰슨 교수는 오직 한 종류의 전기만이 존재한다는 벤저민 프렝클린의 주장(1747년)에 물리적 의미를 부여하였습니다. 톰슨 교수는 실존하는 전기는 오로지 음의 전기라고 하였습니다.
이미 1892년 톰슨 교수는 운동하는 전하를 띤 물체는 전자기 에너지를 가져 질량이 커지는 효과가 나타나는 것을 보여주었습니다. 라듐에서 방출되는 베타선의 속도에 관한 카우프만의 실험으로부터 톰슨 교수는 음전하의 전자들은 실제 질량을 가지는 것이 아니라 전하 때문에 질량을 갖는 것처럼 보일 뿐이라는 결론에 도달하였습니다.
이제는 모든 물질이 음의 전자를 가지고 있다는 가정을 타당하다고 생각합니다. 따라서 모든 물질의 질량은 겉보기에 불과하고 실제로는 전기력에 영향을 받는 값입니다. 톰슨 교수는 이런 맥락에서 매우 흥미로운 실험을 진행했는데, 올해(1906년) 가장 최근의 연구 결과는 물질 질량의 1/1000 정도가 전기력에 기인한다는 것을 보여주고 있습니다.
톰슨 교수님.
스웨덴 왕립과학원은 올해의 노벨상을 교수님께 수여하기로 결정하였습니다.
교수님이 성취한 일을 보고 있자면 소크라테스에 관한 크세노폰의 유명한 글이 떠오릅니다. 아마 교수님도 젊었을 때 그 글을 숙독하셨을 것입니다. 크세노폰은 소크라테스와의 대화가 지구의 원소에 관한 얘기에 이르면, 소크라테스는 이렇게 말했다고 합니다. "그것에 관해서 우리는 아는 게 없다네." 지금 우리를 포함한 모든 세대가 동의하며, 이 대답에서도 알 수 있는 소크라테스의 명민함이 과연 모든 물질의 관한 최정의 결론으로 계속 남을 수 있을까요? 누가 과연 그렇게 얘기할 수 있을까요? 우리 모두가 잘 알다시피 자연과학의 모든 위대한 시기는 그 자체의 고유한 특징들이 있습니다. 이제 우리는 새로운 특징을 가진 새로운 시대의 시발점에 서 있습니다.
본 과학원을 대표해서 우리 시대의 자연과학자들에게 새로운 방향에서 새로운 탐수를 시작할 수 있도록 이끈 교수님의 연구성과에 축하를 드립니다. 교수님은 조국인 영국의 위대하고 유명한 과학자이며, 과학에서 가장 높고 숭고한 업적을 쌓은 패러데이와 맥스웰의 족적을 뒤따라왔다고 하기에 충분합니다.
스웨덴 왕립과학원 원장 J. P. 클라손
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 물리학상|, 노벨 재단 엮음, 이광렬·이승철 옮김>
1909년 미국의 물리학자 밀리컨Robert Millikan은 기름방울실험(또는 유적실험)oil-drop experiment을 통해 전자의 전하를 특정했다. 전기적으로 전하를 띠고 있는 판과 X선 광원을 발생시킬 수 있는 장치 안에 기름 방울을 넣고 그 방울의 움직임을 관찰했다. X선이 공기 중의 기체 분자로부터 전자를 때어내고, 기름 방울이 양극판의 구멍을 통해 떨어지면 전자가 기름방울에 달라붙어 음전하를 띄게 된다. 전기장이 없을 때 방울이 떨어지는 속도로부터 방울의 질량을 측정하였고, 전기장의 세기를 달리하면서 기름방울을 천천히 떨어지거나 올라가게도 하고, 정지한 상태로 떠 있게 할수도 있었다. 이 실험 결과를 바탕으로 밀리컨은 방울 전체 전하를 측정하였다.
밀리컨은 기름 방울의 전하가 항상 어떤 최소 전하의 정수배임을 계산하였고, 그가 100년전에 측정한 값은 현대 전자 전하의 값인 -1.602×10-19C과 1%내 오차를 갖는다. 그리고 앞서 톰슨이 질량 대 전하 비를 가지고 전자의 질량도 계산할 수 있었고, 9.109×10-28g 이다.
[밀리컨의 유적실험 장치]
이런 실험결과로 알게된 전자의 성질은 분명히 원자의 내부 구조에 관한 문제를 제기하였다. 보통 물질이 전기적으로 중성이라면 물질을 구성하는 원자 또한 반드시 중성일 것이다. 그래서 톰슨은 원자가 더 작은 입자로 쪼개질 수 있다고 주장했다. 그리고 원자가 음전하를 띤 전자를 가지고 있다면, 전자와 균형을 맞추는 양전하의 존재와 전자가 믿을 수 없을 정도로 작은 질량을 가지고 있다면 원자의 더 큰 질량을 설명하기 위해서 톰슨은 '푸딩 속 건포도'처럼 전자가 양전하를 띤 물질 속에 널리 퍼져있는 원자 모형을 제시하였다.
[톰슨의 플럼 푸딩 원자 모형]
그리고 밀리컨은 전기의 기본 전하량에 대한 공로로 1923년 노벨 물리학상을 받게 된다.
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전기의 기본 전하량과 광전효과 연구 - 1923년 노벨 물리학상, 로버트 밀리컨, Robert Andrews Millkan
전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
스웨덴 왕립과학원은 전기의 기본 전하에 대한 연구와 광전효과에 대한 연구를 수행한 로버트 앤드루스 밀리컨 박사에게 올해의 노벨 물리학상을 수여키로 하였습니다.
전기가 어떤 물체에 축적되는 현상을 대전이라고 합니다. 그리고 그것이 금속 철사를 따라 뻗어 나갈 때 전류라고 합니다. 그러나 전기가 물이나 수용액을 통과할 때는 문자적 의미에서의 흐름은 일어나지 않습니다. 액체에서는 화학적 분해, 즉 전기분해와 전하의 이동으로 전기가 전달됩니다. 그에 따라 물은 구성 요소인 수소와 산소로 분해되고 은염용액에서는 금속 은이 침전됩니다. 단 하나의 동일한 흐름, 즉 전기의 흐름으로 이러한 분해가 일어나는 것이라면 일정한 시간 동안 방출된 수소의 질량과 침전된 은의 질량비는 은의 원자량에 대한 수소 원자량과 동일한 비율을 갖게 됩니다. 따라서 일정 시간에 일정한 강도로 전류를 보내면 항상 일정량의 수소와 그에 상응하는 양의 은이 침전됩니다. 전류의 강도는 주어진 시간에 액체를 통과하는 전기의 양을 나타내므로 수소원자와 은원자는 동일한 전하를 운반하며 이때 한 단위의 전하가 기본 단위입니다. 같은 법칙이 모든 전기분해 과정에 적용될 수 있습니다. 전기분해 과정에서 다른 원자들은 자신의 가전자만큼의 전하를 운반할 수 있습니다. 전하를 띤 원자들을 이온이라고 부르지만 이 단어는 더 넓은 의미로 사용되기도 합니다.
이러한 전기분해의 법칙으로부터 1그램의 수소에 들어있는 원자의 수와 동일한 크기로 전하의 기본 단위를 계산할 수 있게되었습니다. 1874년에 벌써 전하 기본 단위의 대략적인 값을 결정하였는데, 이 값은 밀리컨 교수의 연구로 정확하게 측정된 수치의 3분의 2에 해당합니다. 전자라는 용어는 전하의 한 단위를 뜻하는 이름으로 제안되었으나 음극선을 발견하고 거기에서 자유롭게 움직이는 음전기의 단위가 추가되었기 때문에 전자라는 용어는 전하의 기본단위와 동일한 음전기의 양으로 정의됩니다.
일반적으로 기체는 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 어떤 기체가 엑스선에 노출되면 전기가 흐를 수 있습니다. 엑스선의 영향으로 기체에는 양이온과 음이온이 형성되고 전기분해와 비슷한 메커니즘으로 전하를 운반한다는 것이 증명되었습니다. 방사선 원소의 발견은 이온화에 대한 기초 연구에 많은 도움을 주었습니다.
이제 기체이온들의 전하 단위는 전기 분해에서 알려진 단위와 대략 같다는 것이 알려졌습니다. 이온화는 비활성 기체에서도 관측이 가능합니다. 이 결과는 전하의 단위(전자)는 원자의 구성요소이고 이온화되면서 원자에서 방출되었다는 것을 의미합니다. 정확한 전하의 단위를 결정하기위해 많은 노력이 있었지만 별로 개선되지 않았습니다. 밀리컨 교수가 이 문제를 해결하기까지는 말이지요.
밀리컨 교수의 목적은 전기가 이론에서 예측한 값과 같은 값을 가지는 가장 기초적인 단위로 되어 있다는 것을 증명하는 것이었습니다. 이것을 증명하기 위해서는 그 원천이 무엇이든지 전기는 전하의 한 단위 또는 그 단위의 정수배여야한다는 것뿐만이 아니라 그 단위는, 예를 들면, 최근에 원자가의 경우처럼 통계적 평균이 아니라는 것을 분명히 해야했습니다. 다시 말해서 밀리컨 교수는 기본 전하 단위는 항상 일정하다고 확신할만큼 정확하게 단일 이온의 전하를 측정할 필요가 있었고 자유전자의 경우에도 동일하게 증명해야했습니다. 밀리컨 교수는 정확한 고찰 방법과 특별할 정도로 정확한 실험 기술로 그 목적을 달성했습니다.
그는 실험에서 두개의 수평으로 놓인 금속판을 준비하고 두 금속판의 거리를 약간 떨어지게 했습니다. 그러고 나서 스위치를 사용해 두개의 판을 고압 전류의 극들에 연결시키거나 누전시켰습니다. 금속판 사이의 공기는 차폐될 수 있는 라듐을 사용해 이온화하였습니다. 상판의 중앙에는 미세한 구멍이 하나 뚫려 있고 그 구멍을 통해 약 1,000분의 1 밀리미터의 지름을 가진 기름방울을 분사했습니다. 구멍으로 분사된 기름방울은 금속판 사이의 공간에 들어가게 됩니다. 이때 금속판 사이의 공간에는 빛이 비춰져 기름 방울은 마치 망원경으로 보이는 검은 배경을 갖고 빛나는 별처럼 반짝이게 됩니다. 그 망원경의 접안렌즈에는 세개의 십자선이 놓여있고 밀리컨 교수는 기름방울이 그 사이를 통과하는 시간을 측정하였습니다. 이런 식으로 밀리컨 교수는 기름방울의 하강 속도를 측정했는데, 작은 기름 방울은 순식간에 떨어졌습니다.
기름방울은 분사할 때 일어난 마찰 때문에 전기를 띠게 됩니다. 기름 방울이 떨어질 때 전류의 스위치를 켜 기름방울에 있는 전하로 인해 상판으로 끌려 올라가도록 했습니다. 그리고 기름방울의 상승속도를 측정했습니다. 그 후 금속판을 단락시켜 기름방울을 다시 떨어지게 하였습니다. 이렇게 기름방울이 오르락 내리락 하는 과정을 몇시간동안 반복해서 처음에는 스톱워치를, 나중에는 크로노그래프를 사용해 상승 및 하강 속도를 반복해서 측정했습니다. 실험 결과, 떨어질 때의 속도는 일정했지만 상승할 떄의 속도는 측정할때마다 달랐는데 이것은 판 사이에 있는 이온들이 기름방울에 달라붙었기 때문입니다. 상승 속도의 차이는 달라붙은 전하의 양에 비례하고 속도의 차이는 항상 같은 값 또는 그 값의 정확한 배수였습니다. 다시 말해 실험을 반복함에 따라 기름방울에는 정확히 전하의 기본단위 또는 그 단위의 정수배만큼의 전하가 달라붙었다는 것을 알 수 있었습니다. 이런 방식으로 매우 많은 경우에 대해 단일 이온의 전하가 측정되었으며 정확하도는 1,000분의 1이었습니다.
전류의 스위치를 켯을 때 양이온들은 음극을 띤 금속판을 향해 높은 속도로 이끌리고 그 반대도 마찬가지입니다. 기름방울이 양이온이나 음이온드르이 홍수 속에 노출되도록 설정해 기름 방울의 전하를 변화시키고 싶다면 스위치를 켜 전류가 흐르기 시작하게 만드는 순간 기름방울들을 금속판중의 하나 가까이에 떨어뜨리기만 하면 되었습니다. 이 방법을 사용해 밀리컨 교수는 마찰에 의해 기름방울이 얻은 전하는 그 단위의 정확한 배수가 된다는 것을 증명하였습니다.
반박의 여지가 없는 증명을 하기 위해, 더 나아가 기체 속에서 작은 물체의 하강 법칙과 브라운 운동의 법칙을 고찰하기 위해서 밀리컨 교수는 음극선과 알파선 그리고 베타선을 가지고 비슷한 실험을 했습니다.
전기는 동일한 단위로 이루어져 있다는 것을 밀리컨 교수가 증명했다는 사실을 생각하지 않더라도 전기의 단위를 정확히 측정했다는 것은 물리학에서 무엇으로도 가치를 매길 수 없을 만큼 중요한 기여입니다. 왜냐하면 이것으로부터 물리학자들은 많은 중요한 물리상수들을 아주 정확하게 계산할 수 있었기 때문입니다.
밀리컨 교수의 수상이 정당한 이유로는 광전효과에 대한 연구를 빼놓을 수 없습니다. 자세한 설명 대신 단지 밀리컨 교수의 광전효과에 대한 실험이 현재 알려진것과 다른 결과를 얻게 되었다면 아인슈타인의 법칙은 무의미했을 것이며 보어의 이론도 지지를 얻을 수 없었을 것이라는 점만 언급하고 넘어가겠습니다. 밀리컨 교수의 결과가 발표된 이후 두 연구자들은 노벨 물리학상을 수상했습니다.
스웨덴 왕립과학원 노벨 물리학위원회 위원장 A. 굴스트란드
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 물리학상|, 노벨 재단 엮음, 이광렬·이승철 옮김>
1910년 뉴질랜드 태생 물리학자 러더퍼드Ernest Rutherford는 라듐에서 방출되는 작고 단단하며 양전하를 띤 α입자(헬륨의 원자핵)를 금 박막에 조준하고 쏘았다.
[러더퍼드의 산란]
톰슨의 모형으로 생각해 볼 때, 러더퍼드는 α입자가 작고 단단한 양전하를 띠는 총알로 생각했고 금 박막과 부딪힐때 약간 휠 수는 있겠지만 대부분 금 원자를 그대로 통과할 것이라 생각했다. 톰슨의 모형에서는 묻혀있는 전자는 탁구공이 빠른 야구공을 빗나가게 할 수 있는 것 이상으로는 α입자의 궤도를 바꿀 순 없다. 하지만 실제로 실험결과에서는 극소수의 α입자가 90도 이상으로 반사되었다. 반사되는 α입자는 20,000개중 1개꼴로 튕겨져 나왔다. 이 극소수의 α입자는 금 원자 안에 들어있는 어떤 작고 단단하면서 양전하를 띤 물질과 반발력이 작용한 것처럼 보였다. 러더퍼드는 후에 이렇게 말했다. "나는 동료인 가이거가 2~3일 후에 흥분하여 내가 말했던 것이 기억난다. 그는 '우리는 반대방향으로 돌아오는 몇몇 α입자를 얻을 수 있었어. 내 생애에 일어났던 사건 중 가장 믿을 수 없는 일이지. 마치 당신이 종이 한 장에 14인치(38cm) 포탄을 쏘았는데 그것이 다시 돌아와 당신을 맞춘 것처럼 거의 있을 수 없는 일이라고' 하였지"
이 실험결과로부터 러더퍼드는 원자는 대부분 전자에 의해 채워져있는 공간이고, 중앙에는 그가 핵Nucleus이라 부르는 작고 양전하를 띠며 원자 질량의 대부분을 차지하는 입자가 있다는 것을 밝혀냈다. 그는 핵 안에 양전하를 띤 입자가 들어있다고 가정하고, 이 입자를 양성자Proton라 불렀다.
[러더퍼드 원자 모형]
러더퍼드의 원자 모형은 물질의 전하성에 대하여 설명하였으나 원자의 전체 질량에 관해서는 설명할 수 없었다. 하지만 1932년 채드윅Chadwick이 핵 안에 존재하는 전하를 띠지 않는 단단한 입자, 중성자Neutron를 발견하면서 해결되었다.
