How big is 전자 (고전)?

전자는 음전하를 띤 아주 작은 입자로, 모든 원자에서 원자핵 바깥에 있다. 지금까지 어떤 실험에서도 전자의 크기는 확인되지 않았다. 모든 시험에서 전자는 점처럼 행동한다. 위에 표시된 5.64펨토미터는 고전적 전자 반지름의 2배로, 측정값이 아니라 양자 이전의 고전 물리학에서 나온 수치이다. 1펨토미터는 1미터의 1000조분의 1(10⁻¹⁵미터)이다.

크기

고전적 전자 반지름은 약 2.82펨토미터이다. 이 값은 전자의 전하와 질량, 빛의 속도를 쓰는 공식에서 나오며, 양자 물리학은 전혀 쓰지 않는다. 전자의 전하를 가진 공이 있다고 할 때, 그 공의 전기장 에너지가 전자의 질량 에너지(E = mc²으로 주어지는 에너지)와 같아지려면 대략 이 정도 크기여야 한다.

1989년부터 2000년까지 CERN의 대형 전자-양전자 충돌기(LEP)는 전자를 양전자와 충돌시켰다. 양전자는 전자와 질량은 같지만 전하는 반대인 입자이다. 이 충돌을 분석한 2000년의 연구에서는 전자에 크기가 있다는 징후가 전혀 나타나지 않았다. 전자에 반지름이라는 것이 있다면, 그 값은 2.8 × 10⁻¹⁹미터보다 작으며, 이는 고전적 전자 반지름의 약 1만분의 1이다. 2025년의 논문도 여전히 이 값을 이런 충돌에서 얻은 가장 엄격한 한계로 제시한다.

크기 비교

표시된 값인 5.64펨토미터는 충돌 실험이 전자의 지름으로 허용하는 최댓값인 5.6 × 10⁻¹⁹미터의 약 1만 배이다.
고전적 수치로 보면 전자의 지름은 양성자의 3배가 넘는다. 양성자는 지름이 약 1.7펨토미터이고 질량은 전자의 1,836배인데도 그렇다.
대신 실험으로 얻은 한계를 따르면, 양성자의 지름은 전자의 최소 3,000배이다.
지름이 약 3.4펨토미터인 헬륨 원자핵은 전자에 허용되는 최대 지름의 약 6,000배이다.
양성자를 농구공 크기로 확대한다면, 같은 비율로 확대한 전자는 지름이 최대 0.08밀리미터일 것이며, 이는 가는 사람 머리카락의 굵기를 넘지 않는다.

고전적 반지름이 지금도 쓰이는 이유

고전적 전자 반지름은 크기는 아니지만, 여전히 쓸모 있는 값이다. 빛이나 다른 전자기파가 자유 전자에 부딪히면, 전자는 이 반지름 정도의 작은 단단한 공처럼 전자기파를 산란시킨다. 물리학자들은 이 값을 이용해 전자가 이런 복사를 얼마나 강하게 산란시키는지 계산한다. 이 과정을 톰슨 산란이라고 한다.

전자의 발견 과정

영국의 물리학자 J. J. 톰슨은 1897년 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소에서 전자를 확인했다. 그는 음극선을 연구하고 있었다. 음극선은 공기를 거의 다 빼낸 유리관 속을 지나가는, 정체가 수수께끼 같았던 광선이다. 톰슨은 이 광선이 음전하를 띠고 있으며 전기장과 자기장에 의해 휜다는 것을 보였다.

광선이 얼마나 휘는지를 보고, 톰슨은 이 광선의 질량 대 전하의 비가 전하를 띤 수소 원자의 1,000분의 1보다 작음을 알아냈다. 그는 이 광선이 원자의 아주 작은 조각들의 흐름이라고 제안하고, 이 조각을 미립자라고 불렀다. 지금은 이를 전자라고 부른다.