전하

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물질이 가지고 있는 속성 중에서 전기적인 성질을 결정하는 전하의 존재가 구체적으로 알려지게 된 것은 그리 오래 되지 않았다. 물론 오래 전인 고대 그리스에서 호박돌을 옷소매에 비비면 솜털이나 천조각을 끌어당긴다는 것을 알고 이를 즐겼고, 또한 일상생활에서 정전기의 여러 현상을 경험하기도 하지만 1600년대에 이르러서야 이 전기적인 현상에 대한 과학적인 접근이 시작되었고 1785년 쿨롱(Coulomb)에 의해 전하가 매개하는 힘의 법칙이 규명되었다.

전하가 번개나 마찰전기의 방전 등 전기적인 현상뿐만 아니라 자석의 자기적인 현상에도 필수적인 요소임이 알려지고 이것이 물질에 어떠한 양상으로 깃들어 있는가가 큰 관심사였다. 물질 속에서 전자가 발견되고, 핵, 나아가 핵 속의 양성자나 중성자 등이 발견된 20세기에 들어와서 이들 기본 입자가 가지고 있는 중요한 속성임을 알게 되었다.

즉 물질을 구성하는 전자는 음의 전하를, 핵을 구성하는 양성자는 양의 전하를 가지고 있어 다른 부호를 가진 이 두 종류의 입자가 어우러져서 물질계의 복잡하고 다양한 전기 및 자기적인 현상이 나타나는 것이다.

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원자의 단순 모형_ 태양계처럼 핵을 중심으로 하여 $-$ 전하의 전자가 타원궤도를 그리고 있다. 핵은 $+$ 전하의 양성자와 전하가 없는 중성자로 구성되어 있고 질량이 전자보다 월등히 커서 거의 태양처럼 원자의 중심을 이루고 있다. (a)는 중성의 리튬 원자로서 전자 3개와 양성자 세 개가 가지고 있는 전하가 서로 비겨서 전체적으로는 전하를 띠고 있지 않는 것으로 관측된다. (b)는 전자 하나가 빠져나가 $+$로 대전된 리튬 이온이고, (c)는 전자 하나가 초과되어 $-$로 대전된 리튬 이온이다. 실제의 원자의 모양은 전자의 궤도를 생각할 수 없는 보다 복잡한 양자론적인 양상으로 존재한다.

보통의 원자는 양전하와 음전하가 같은 양으로 서로 비겨서 중성을 이루고 있지만 물체를 마찰시키거나 다른 작용으로 전자가 초과되거나 부족하게 되면 원자가 $-$나 $+$로 이온화된다. 물체를 이루는 각각의 원자 일부분이 이렇게 이온화가 되거나 전체적으로 $+$와 $-$가 균형을 이루지 못하여 알짜의 전하를 가지게 되면 그 물체는 대전되었다 한다. 이는 물체가 가지고 있는 $+$의 총전하와 $-$의 총 전하가 정확하게 비기지 못하고 차이가 나는 경우이다. 때에 따라 큰 물체가 국소적으로 $+$나 $-$로 대전될 경우도 있는 데 특히 전하의 흐름이 원활하지 못한 부도체에서는 이러한 일이 쉽게 일어날 수 있다.

아래 그림은 대전된 물체가 경우에 따라 서로 밀어내거나 당겨주는 것을 보여주고 있다. 동일한 방법으로 대전시켜 대전된 전하의 종류가 같은 것이 명백한 경우에는 언제나 밀어내게 된다는 것과 다르게 대전시킨 물체와는 당기는 경우가 있는 것을 알게 되었다. 이렇게 여러 종류의 대전된 물체를 서로 간에 인력과 척력 여부를 가지고 분류를 하여 두 종류로 대전된 상태가 있을 수 있고, 같은 종류끼리는 서로 밀어내고 다른 종류끼리는 서로 당겨준다는 것을 알게 되었다.

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대전된 물체의 인력과 척력_ (a)는 +의 같은 부호로 대전된 두 막대기로서 서로 밀어내고, 한편 (b)는 +와 -의 서로 다른 부호로 대전된 막대기가 서로 당기고 있다. 그림에서 두 힘은 F와 -F는 서로 작용과 반작용으로서 크기가 같고 반대 방향을 향하고 있다.

두 종류의 전하에 $+$와 $-$를 부여하는 것이 자연스럽다. 이렇게 하면 두 전하사이의 힘의 방향이 전하의 곱의 부호로 정해지기 때문이다. 그러나 $+$와 $-$를 교환하더라도 결과에 아무런 영향을 미치지 않는다. 전자를 $-$로, 양성자를 $+$로 하게 된 것은 애초에 프랭크린(Benjamin Franklin)이 대전된 물체들에 대한 전하의 부호를 정한 것에서 비롯된 것이다.

_ 중성자_ 양성자_ 이온_ 번개_ 양자

전하의 양자화

전하는 기본값의 정수 배로 되어 있다.

과거에는 전하량이 연속적인 값을 다 가질 수 있는 것으로 생각했다. 이는 물질계가 물이나 공기처럼 연속적인 매질로 이루어져 있다는 과거의 생각으로 보면 당연한 것일 수 있다. 그러나 오늘날의 기본입자의 개념으로 보면 물질계는 불연속적으로 되어 있어 질량이나 전하량이 임의의 값을 갖는다는 것은 불가능하다. 단지 질량은 입자의 종류에 따라 다양한 값을 가지고 있기 때문에 전체적으로 다양한 조합이 있을 수 있지만 전하는 달리 기본전하량의 정수 배로 되어 있다.

입자	기호	전하량	질량	스핀
전자	e	-1.602×10^-19C	9.109×10^-31kg	1/2
양성자	p	1.602×10^-19C	1.672×10^-27kg	1/2
중성자	n	0	1.674×10^-27kg	1/2
광자	γ	0	0 (정지질량)	1

앞의 표에 대표적인 세 종류의 소립자가 가지고 있는 전하량과 질량을 보였다. 전하의 단위 C는 전하끼리의 힘으로부터 정의가 된다. 이 표에서 나타내지는 않았지만 자연에는 전하를 가진 여러 가지 소립자들이 있는 데 이들은 각각 부호만 달리할 뿐 전하량의 크기는 모두 기본전하량 1.602×10^-19C 의 정수 배 를 가지고 있고 이에 따라 이들이 여럿이 조합이 된 커다란 물질도 역시 마찬가지가 된다. 따라서 이 값은 자연의 기본상수 중 하나가 된다. (쿼크의 경우 이 값의 1/3 혹은 2/3 의 전하를 가지나 쿼크가 고립되게 존재할 수 없고 항상 여럿이 모여서 기본전하의 정수 배의 전하를 가지게 존재한다) 이렇게 어떤 물리량이 띄엄띄엄하게 주어지는 것을 양자화되어 있다고 한다.

_ 양자화

전하량보존법칙

전하는 생성되거나 소멸되지 않는다.

닫힌 계의 알짜 전하량은 어떠한 물리적인 변화를 겪더라도 항상 일정한 값을 유지한다. 즉 전하량이 보존되는 것이다. 이는 애초에 플랭크린(Benjamin Franklin)이 1747년에 처음으로 제안하였으며 물리의 가장 기본적인 법칙의 하나이다. 이 법칙은 대전입자가 에너지로 바뀌고 완전히 소멸하는 경우에도 성립해야 한다. 따라서 전자 하나가 고스란히 없어지는 경우는 전하량보존법칙에 위배되기 때문에 다른 선택으로서 - 전하를 가진 전자와 +전하를 가진 양전자가 함께 사라지는 선택을 할 수밖에 없다.

_ 양전자