음극선
음극선(陰極線, cathode ray)은 내부가 진공인 관에 설치된 양극과 음극 사이에 높은 전압을 걸어 주었을 때 관측되는 것으로, 음극에서 방출되어 양극으로 향하는 전자들의 흐름이다. 이 현상은 1869년 독일의 과학자 요한 히토르프에 의해 발견되었고, 1876년 오이겐 골트슈타인에 의해 음극선 (영어: cathode rays, 독일어: kathodenstrahlen)이라는 이름이 붙여졌다. 전자들은 음극선의 성분으로 처음 발견되었다. 1897년 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 이 흐름이 이전까지 알려지지 않았던 음전하를 갖는 입자들로 구성되었다는 것을 보였다. 이 음전하를 갖는 입자들은 전자라고 이름 붙여졌다.
음극선은 이름에서 알 수 있듯이 진공관 내부의 음극에서 방출되므로 음극선이라는 이름이 붙여졌다. 관에 전자를 방출하기 위해서는 우선 음극의 원자들로부터 전자가 분리되어야 한다. 초기에 크룩스관(Crookes Tube)이라 불린 냉음극관은 음극과 양극사이의 높은 전위차를 이용하여 잔류 기체들을 이온화시킨다. 현대의 진공관은 열전자 방출효과를 이용한다. 음극은 얇은 필라멘트로 이루어져 있고 전류가 흐르므로 열이 필라멘트에 발생하게 된다. 필라멘트 원자들의 무작위 열운동으로 인해 전자를 원자 바깥으로 치게 된다. 전자가 음전하를 띄므로, 음극에 의해서는 척력을 받고 양극에 의해서는 인력을 받게 되고 빈 관으로 직진 운동을 하게 된다. 전극 사이의 전위차로 인해 전자는 고속으로 가속된다. 음극선은 눈에 보이지 않지만 관의 유리벽에 부딪힐 때 유리에 있는 원자들을 들뜬상태로 만들어 빛을 방출하게되는 형광현상이 발생한다.
상세[편집]
음극선은 음극에서 방출된 전자들의 흐름이다. 진공방전이 일어나고 있는 방전관 내부에서 기체가 이온화되어 만들어진 양이온이 음극 주위에 모여 전자를 밀어내면서 음극선이 발생하게 된다.
방전관의 잔류기체 압력을 약 0.1Pa 정도인 10-2∼10-4mmHg 보다 낮은 기압으로 한 후에 고전압을 가하면 음극과 마주 대하고 있는 양극 부근의 유리벽이 녹색의 형광을 방출하는 진공방전을 한다.
음극선에 대한 연구는 16세기 전기적인 성질을 알아낸 이후 계속되었다. 18세기의 헉스비(Francis Hauksbee, 1666~1713)는 공기를 뽑아낸 유리관에 전기를 통하면 불꽃 방전이 일어난다는 사실을 실험으로 알아냈는데, 이는 오늘날의 네온사인과 같은 원리이다.
1838년부터 영국의 패러데이(Michael Faraday, 1791~1867)는 다양한 기체를 이용하여 압력이 달라질 때의 전기 방전을 연구하였다. 그 결과 기체의 기압이 낮아지면서 양극에서 음극까지 다소 지속적인 발광이 나타나다가 기압이 아주 낮아지면 전극의 중간 지점에서 어두운 지역이 나타나면서 발광이 중단되는 것을 발견했다. 이것을 패러데이 암부(Faraday dark space)라고 부른다.
1858년 독일의 플뤼커(Julius Pluecker, 1801~1868)는 자기장에 의해 기체 방전이 휘는 것을 처음으로 발견되었다. 이 실험에서 유리기구 제작자인 가이슬러(Heinrich Geißler, 1814~1879)가 만든 유리관을 사용하였는데, 이 유리관을 가이슬러관(Geissler tube)이라고 한다.
1869년 플뤼커의 제자인 히토르프(Johann Wilhelm Hittorf, 1824~1914)는 가이슬러의 수은 진공펌프와 륌코르프의 고전압 발생장치를 이용해서 고진공 방전관을 만들고 '글로우 광선(Strahlen des Glimmens)'을 발견하였다. 그는 광선이 고체 뒤편에 그림자가 생기게 한다는 사실로부터 이 광선이 음극에서 직선으로 전파되었으며, 이 광선이 자장에 의해서 휘어지고 유리에 닿으면 발광을 한다는 사실을 알아냈다.
불꽃 방전은 전자와 기체 분자의 충돌에 의해 전자의 에너지를 기체가 흡수한 후 이 에너지를 방출할 때 생기는 현상이다. 이처럼 유리관 내에 도선이 연결되어 있지 않아도 불꽃 방전이 생기고 전기가 흐를 수 있는 것은 유리관 내의 기체 분자가 전기를 띠어 전류가 흐르기 때문일 것이라고 생각하였다. 그렇다면 유리관 내의 기체가 없어지면 전기가 흐를 수 없어야 한다. 그러나 실험결과 공기가 희박해지면 불꽃 방전은 없어지지만 여전히 전기를 잘 흐른다는 사실을 알게 되었다.
1876년 골트슈타인(Eugen Goldstein, 1850~1930)은 전기를 전달하여준 것은 기체가 아니라 다른 흐름이 있을 것이라고 가정하고 이 흐름을 음극선이라고 명명하고 이 장치를 음극선관이라고 하였다.
1878년 영국의 크룩스(William Crookes, 18321919)는 김밍엄(Charles H. Gimingham)이 제작한 크룩스관(Crookes tube)이라 불리는 고진공관 속에서 나타나는 전기방전현상을 연구하여 방전관 내에서 소위 '크룩스의 암부'(Crookes dark space)의 두께가 방전관 내의 분자의 압력이 감소함에 따라 넓어지는 것을 발견했다. 또한 음극선이 고체를 통과할 때 그림자가 생기는 것과 자장에 의해서 휘어지는 것을 명확하게 보여주었다. 크룩스는 1879년 왕립학회의 베이커 강연에서 음극선이 음으로 하전된 분자의 흐름으로 이루어져 있으며, 이것을 보통의 기체, 액체, 고체 상태와는 다른 물질의 '제4상태'라고 발표하였다.
1895년 뢴트겐(W.C.Röntgen, 1845~1923)은 종이로 싼 음극선관 실험을 통해 음극선을 금속에 쪼이면 투과력이 강한 새로운 빛이 발생함을 알아냈고, 이 선을 X-선이라고 명명하였다.
1886년 골트슈타인은 음극선 장치를 개량하여 음극선이 발생할 때 양전기를 띤 새로운 선이 발생됨을 알아내고 이 선을 양극선(anode ray)라고 명명하였다. 그리고 음극선이 전기장과 자기장에 의해 진로가 휘어진다는 성질을 알아낸다.
영국 케임브리지 대학의 캐번디시 연구소 소장이었던 톰슨(Joseph John Thomson, 1856~1940)은 이를 설명하기 위하여 음극선이 음전기를 띤 입자들의 흐름이라고 가정하고 이를 증명하기 위한 실험을 진행하였다. 그 결과 음극선이 유리관 속의 기체에 의한 현상이 아니라 특정한 전하와 질량을 가진 입자임을 알 수 있었다. 그리고 그 입자를 원자보다 작은 궁극적 기본 입자라고 주장하고 이 입자를 원시원자(primordial atom) 또는 미립자(corpuscle)라고 불렀다. 이 미립자는 1874년 스토니(G.J.Stoney, 1826~1911)가 전기분해의 연구에서 전기소량(電氣素量)의 존재를 주장하며 전자(電子;electron)라 명명하였던 것이다.
톰슨은 1897년 4월 30일 영국 왕립연구소(Royal Institution)의 금요저녁회의에서 음극선에 대한 실험 결과를 발표하였다. 이후 '전자' 발견을 비롯한 음극선에 관한 연구를 한 공로로 1906년 노벨 물리학상을 수상했다.
톰슨이 사용한 음극선관은 TV브라운관에 응용된다. TV브라운관은 전기장과 자기장에 의해 휘어진 전자가 브라운관 표면의 형광판에 충돌할 때 발생하는 빛을 영상으로 만든 장치이다.
방전관의 음극을 가열하여 열전자를 방출시켜 이것을 고전압으로 가속해도 음극선이 발생한다. 브라운관 등 현재 일반적으로 사용되고 있는 음극선관에는 이와 같은 열전자를 가속한 음극선을 이용하고 있다.
또 방전관의 음극선이 닿는 곳에 얇은 알루미늄판을 붙이면 이곳을 통과한 음극선을 밖으로 끌어낼 수 있다. 이렇게 관 외로 나온 음극선을 레나르트선(1984년 P.E.A.레나르트가 발견)이라고도 한다.
음극선은 X선 등과 같이 강력한 형광작용과 사진필름을 감광시키는 작용을 하며 기체를 더욱 이온화시키는 능력이 있다. 또 이것을 금속에 조사(照射)하면 금속은 에너지를 흡수하여 가열되거나 때로는 그곳에서 X선이 발생한다. 음극선은 X선과 같은 전자기파(電磁氣波)가 아니며 일정한 질량과 전하를 가지는 입자로 되어 있다. 따라서 외부에서 자기장 또는 전기장을 작용시키면 그 진로를 휘게 할 수 있다. 예를 들면 방전관의 양극에 구멍을 뚫으면 구멍에서 튀어나오는 음극선 입자는 직진하고 방전관 벽에 충돌하여 형광을 발생한다. 이때 진로에 수직으로 전기장이나 자기장을 걸어주면 음극선의 진로가 휘어져서 관벽의 형광의 위치가 이동한다.
따라서 방전관 벽에 형광물질을 발라두면 음극선에 의한 형광점의 이동으로부터 방전관에 가한 전기장과 자기장의 세기, 또는 그 변동상태를 정확히 알 수 있다. 또 이때의 음극선 진로의 휘어짐은 전기장과 자기장의 세기 외에 음극선 입자(전자)가 가지고 있는 전기량 e와 질량 m의 비, 즉 비전하 e/m에 따라서도 결정된다. 음극선 입자의 정체가 전자라는 것이 최종적으로 확인된 것은 음극선의 전기적·자기적 편차의 크기를 측정한 결과이다.
음극선은 브라운관·아이코노스코프·매직아이 분야에 넓게 응용되며, 전자현미경 등에도 이용된다. 이것은 음극선의 본체인 전자가 질량이 작은, 즉 관성이 작은 입자이므로 전기적·자기적으로 제어하기 쉽기 때문이다. 이와 같은 음극선의 이용이 기술적으로 완성을 보게 된 것은 1930년대이다. 기술적으로 완성되면서 실용화가 되자 응용이 뒤를 이어 확대되었다. 현재 그 응용기술은 전자공학의 기초분야이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
