밀리컨의 기름방울 실험에서 입자의 전하가 클수록 천천히 떨어지나요?

Question

밀리컨의 기름방울 실험에서 기름 입자의 음전하가 클수록 더 느리게 떨어지는 것이 맞나요? 그리고 기름 입자를 음전하로 만드는 방법은 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요.

네, 말씀해주신 것처럼 밀리컨의 기름방울 실험을 진행할 때 전기장이 걸려 있는 상황에서는 전하량이 클수록 낙하 속도가 더 느려지거나, 심지어 위로 떠오를 수도 있습니다. 이 실험에서 기름방울에는 세 가지 힘이 작용하는데요, 우선 아래 방향으로는 질량에 의한 중력이 작용하고, 위 방향으로는 공기 저항력과 전기력이 작용합니다. 특히 전기장이 걸려 있는 상황에서 기름방울이 음전하를 띠면, 전기장은 위쪽 방향의 힘을 제공하게 됩니다. 이때 전기력의 크기는 기본적으로 전하량과 전기장 세기를 곱한 값에 비례하기 때문에 전하량이 클수록 위로 끌어올리는 힘이 커지는 것입니다.

따라서 질량과 크기가 동일한 기름방울이라면, 전하량이 많을수록 아래로 떨어지는 중력을 더 강하게 상쇄하게 되고, 그 결과 낙하 속도가 점점 느려집니다. 게다가 전하가 충분히 크면 중력과 전기력이 정확히 평형을 이루어 기름방울이 공중에 정지할 수도 있고, 그보다 더 크면 오히려 위로 올라가게 됩니다. 반대로 전기장이 없거나 매우 약하다면, 전하량이 크더라도 낙하 속도에는 큰 영향을 주지 못하고 주로 중력과 공기 저항에 의해 속도가 결정됩니다. 즉 말씀해주신 전하가 클수록 느리다는 말은 전기장이 존재할 때만 성립합니다.

다음으로 기름방울을 어떻게 음전하로 만드는지에 대해 말씀드리자면, 해당 실험에서 기름을 미세한 방울로 분사할 때 확실하게 전하를 부여하기 위해 공기 중에 이온을 생성하는 장치를 사용합니다. 대표적으로 방사선을 방출하는 물질을 이용해 공기를 이온화시키는 것인데요, 이로 인해 공기 분자들이 전자와 양이온으로 나뉘게 됩니다. 이때 자유 전자들이 기름방울 표면에 붙으면서 기름방울은 음전하를 띠게 되는 것입니다. 반대로 양이온이 붙으면 양전하를 띨 수도 있는데, 실험에서는 전기장의 방향을 조절하여 원하는 전하를 가진 방울을 선택적으로 관찰하게 됩니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

밀리컨은 작은 기름방울을 공기 중에 분사한 뒤, 전기장을 걸어 그 움직임을 관찰했습니다. 기름방울은 중력 때문에 아래로 떨어지지만, 동시에 공기의 점성에 의해 저항을 받습니다. 여기에 전기장을 걸면, 전하를 띤 기름방울은 전기력도 함께 받게 됩니다. 이때 전기력의 크기는 전하량에 비례하기 때문에, 전하가 많을수록 전기장이 주는 힘이 커집니다. 따라서 같은 전기장을 걸었을 때 전하가 큰 방울은 더 강하게 위로 끌려 올라가거나, 낙하 속도가 크게 줄어들 수 있습니다. 그러나 전하량만으로 낙하 속도가 결정되는 것은 아니고, 전기장의 세기와 방향이 함께 작용해야 합니다.

기름방울을 음전하로 만드는 방법은 X선을 쏘아 공기 분자를 이온화시키는 것입니다. 이 과정에서 자유 전자가 생기고, 그 전자가 기름방울 표면에 달라붙어 방울이 음전하를 띠게 됩니다. 이렇게 전하를 띤 방울은 전기장 속에서 힘의 균형을 이루며 정지하거나, 위로 올라가거나, 천천히 떨어지는 모습을 보입니다.

밀리컨은 이러한 원리를 이용해 기름방울이 정지하는 순간의 힘의 균형을 계산했고, 이를 통해 전자의 기본 전하량을 측정할 수 있었습니다. 즉, 기름방울의 낙하 속도 변화는 전하량과 전기장의 상호작용 결과이며, 단순히 전하가 많다고 해서 무조건 느리게 떨어지는 것은 아닙니다.