[일반화학] 2강 화학의 기초 (electron, millikan, charge, mass, measurement, experiment, oil droplet, density, radius, Thomson)

질문 요약

강의에서 밀리칸이 전자의 질량을 측정했다고 하셨는데 제가 수업듣는 교수님은 밀리컨이 전자의 전하를 측정했고 질량을 직접측정한건 아니라고 하셨는데 어떻게 받아들여야하나요??

답변 요약

전공서에도 잘 기재되어 있듯이 실험에 사용된 기름 방울의 밀도를 알면 그 방울의 반지름(r)으로 그 기름 방울의 질량을 알 수 있습니다. 톰슨은 전자의 질량과 전하량의 비만 알 수 있었고 그 각각의 값을 정확하게 구하지 못하였는데 밀리컨은 음극선 실험으로 전하량을 구하였습니다.

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[일반화학] 2강 화학의 기초: 밀리컨의 전자 측정 실험

화학의 역사 속에서 전자의 존재 및 그 특성을 밝혀내는 데에는 많은 과학자들의 노력이 있었습니다. 그 중에서도 로버트 밀리컨의 실험은 전자의 전하량을 측정한 중요한 업적으로 평가받고 있습니다. 그러나 이와 관련하여 밀리컨이 전자의 질량을 측정했다는 오해가 일부 있습니다. 실제로 밀리컨은 전자의 전하량을 측정한 것이며, 전자의 질량을 직접 측정한 것은 아닙니다.

밀리컨의 기름방울 실험

1910년대 초, 로버트 밀리컨은 전자의 전하량을 측정하기 위한 실험을 설계하고 수행했습니다. 이 실험은 이후 '밀리컨의 기름방울 실험'으로 널리 알려지게 되었습니다. 실험의 핵심은 기름 방울에 전자가 부착되어 전하를 띠게 되고, 이 방울이 외부에서 가해진 전기장 속에서 움직이는 모습을 관찰하여 전자 하나가 가지는 전하량을 계산하는 것이었습니다.

밀리컨은 기름 방울에 대한 정밀한 관찰을 통해 전자의 전하량을 측정할 수 있었으며, 그 결과 전자 하나의 전하량이 \(1.602 \times 10^{-19}\) 쿨롱임을 밝혀냈습니다. 이는 전자의 기본 단위 전하량으로 받아들여지며, 현대 물리학의 기초가 되었습니다.

전자의 질량과 전하량

전자의 질량을 측정하는 것은 전하량을 측정하는 것보다 더 복잡한 과제입니다. 전자의 질량은 매우 작기 때문에 직접 측정하기보다는 다른 물리적 양을 통해 간접적으로 계산해야 합니다. 앞서 언급한 것처럼 밀리컨은 전자의 질량을 직접 측정한 것이 아니라 전자의 전하량을 측정했습니다. 그러나 J.J. 톰슨이 수행한 음극선 실험을 통해 전자의 질량과 전하량의 비율(\(m/e\))은 알려져 있었습니다. 밀리컨의 전하량 측정 결과와 톰슨의 \(m/e\) 비율을 결합하면, 전자의 질량을 계산할 수 있습니다.

전자의 질량 \(m\)은 다음과 같은 공식을 통해 계산되었습니다.

\[m = \frac{e}{\frac{m}{e}}\]

여기서 \(e\)는 전자의 전하량, \(m/e\)는 톰슨의 실험을 통해 얻은 전자의 질량과 전하량의 비율입니다. 이를 통해 전자의 질량은 약 \(9.109 \times 10^{-31}\)kg로 계산됩니다.

결론

결론적으로, 밀리컨의 기름방울 실험은 전자의 전하량을 정밀하게 측정한 역사적인 성과이며, 이를 통해 전자의 질량 또한 간접적으로 계산될 수 있었습니다. 밀리컨이 직접 전자의 질량을 측정한 것은 아니지만, 그의 실험은 전자의 기본적인 물리적 특성을 이해하는 데 있어 결정적인 역할을 했습니다. 화학을 비롯한 여러 과학 분야에서 전자의 특성은 중요한 연구 대상이며, 밀리컨의 업적은 오늘날에도 여전히 그 가치를 인정받고 있습니다.

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