물질과 전자 - 전기기능사 이론 공부

고등학교에서 물리를 배우지 않은 사람에게 전기기능사의 전기이론은 그야말로 머리를 쥐어 뜯게 만드는, 굳이 이 공부를 해야 하나? 하는 질문을 던지게 하는 과목입니다. 그럼에도 불구하고 한부분씩 정리해 갈까 합니다.

■ 물질(物質, Matter)

물질에 대한 정의는 어떠한 물체를 이루는 존재로 이전에는 질량과 부피로 그 존재를 이야기 했지만, 양자 역학의 발견 이후에는 물질을 이루는 기본 단위와 함께 기본 단위간의 상호 작용도 말하고 있습니다. 물질을 이루는 기본 단위에 대한 개념은 지속적으로 발전하여 19세기에는 원자가 분자나 화합물을 이루는 기본 입자임이 밝혀 졌고 이어서 19세기 말에는 전자가 발견되고(조지프 존 톰슨) 20세기에 들어서는 원자핵이 발견되며 원자는 전자, 중성자, 양성자로 구성되어 이들어 상호 작용으로 형성된다는 입자물리학이 성립되었습니다. 발전은 지속되어 현대 물리학에서는 물질을 이루는 기본단위로 쿼크와 렙톤을 기본 입자라고 파악하고 있습니다.

원자는 양전기를 갖는 원자핵과 음전기를 갖는 전자로 구성됩니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성되고 전자는 원자핵 주위의 궤도를 돕니다. 이 궤도는 원자에 따라서 여러겹의 껍질처럼 구성되기도 하는데 이 전자 껍질을 전자 궤도, 원자 궤도 또는 원자 오비탈(Orbital)이라 합니다. 껍질에 따라 첫번째 궤도에는 최대 2개, 두번째는 8, 세번째는 18, 네번째는 32개의 전자가 들어 갈 수 있습니다. 각 궤도에 들어 갈수 있는 전자의 개수는 궤도의 번호를 R이라 할 때 다음의 식과 같습니다.

 

 

한 궤도에 들어 갈 수 있는 전자의 개수는 "파울리의 배타적 원리"에 기반합니다. 가장 바깥 궤도에 있는 전자들은 원자핵에서 멀어져 약해진 핵력으로 인해 쉽게 이탈하여 이동할 수 있는데 이를 자유 전자(free electron)라 합니다.

■ 전하와 전자

전기에너지는 전자의 이동에 의해서 발생합니다. 전하(電荷, electric charge)는 전기현상을 일으키는 원인을 말하며 음의 전하와 양의 전하가 있습니다. 중성상태에서 전자를 잃어서 양의 전기를 띠거나 전자를 얻어 음의 전기를 띠는 것을 대전 현상이라 하는데 음의 전기를 띠는 (-) 대전 현상은 자유 전자의 과잉 상태를 의미 합니다.

 

전하의 단위는 쿨롱(Coulomb)이며, Q로 표시하고 단위 기호는 C입니다. 1 쿨롱은 약 6.25×10^18(0.624×10^19)개의 전자의 과부족으로 생기는 전하의 전기량입니다. 전자(-) 또는 양성자(+) 한 개의 전하량은 1.6021773349 ×10^-19 쿨롱이며 이를 기본 전하라고 합니다. 전자의 질량은 9.10956×10^-31Kg , 중성자는 전하량은 0이고 질량은 1.675×10^-27kg 으로 양성자보다 조금더 무겁습니다. 양성자의 질량은 1.6726×10^-27kg으로 전자 질량의 1,836배 이지만 전기량은 부호만 다를 뿐 동일합니다.

 

■ 기출문제

※ 이제 기출문제를 통해서 복습해 보겠습니다. "정답보기"를 클릭하면 답을 확인할 수 있습니다.
1. 원자핵의 구속력을 벗어나서 물질내에서 자유로이 이동할 수 있는 것은? (정답보기)
    가. 중성자  

    나. 양자
    다. 분자  

    라. 자유전자

 

2. 1개의 전자 질량은 약 몇 [kg]인가? (정답보기)
    가. 1.679 × 10-31
    나.  9.109 × 10-31
    다. 1.679 × 10-27
    라. 9.109 × 10-27

 

3. "물질 중의 자유전자가 과잉된 상태" 란? (정답보기)
   가. (-)대전상태  

   나. 발열상태
   다. 중성상태  

   라. (+)대전상태

 

4. 다음 중 가장 무거운 것은? (정답보기)
   가. 양성자의 질량과 중성자의 질량의 합
   나. 양성자의 질량과 전자의 질량의 합
   다. 원자핵의 질량과 전자의 질량의 합
   라. 중성자의 질량과 전자의 질량의 합

 

5. 정상상태에서의 원자를 설명한 것으로 틀린 것은?(정답보기)
    가. 양성자와 전자의 극성은 같다.
    나. 원자는 전체적으로 보면 전기적으로 중성이다.
    다. 원자를 이루고 있는 양성자의 수는 전자의 수와 같다.
    라. 양성자 1개가 지니는 전기량은 전자 1개가 지니는 전기량과 크기가 같다.