heegyu/kowiki-sentences huggingface dataset:
자기 편각은 대부분의 지도에 그려져 있어 나침반의 위치를 보정할 수 있게 한다.
자축 근처의 지역에서는 지자기장의 차이가 커
자기 편각이 매우 크므로 자기 나침반이 쓸모가 없다.
그래서 다른 장비를 이용한다.
자축의 위치는 시간에 따라 움직이는데, 이는 인간의 시간으로 생각해도 그렇게 큰 변화는 아니다.
최근 몇 년간 큰 변화가 있었다.
지구상 어느 위치에 있는 관찰자라도 자기 편각이 있으며 이는 위치에 따라 다르고, 시간에 따라 달라진다.
적도에 가까울수록 자기 편각이 적다.
어떤 자기 나침반은 자기 편각을 극복하는 메커니즘을 포함하여 진방향과 자기 방향을 상대적으로 나타내도록 설계되어있다.
이러한 나침반의 사용자는 그 지역에서의 자기 편각을 정확히 알고 나침반을 조정해야한다.
최초의 나침반은 자철석으로 제작되었다.
고대인들은 천연 자석이 자유롭게 움직일 수 있도록 놓였을 때 항상 같은 방향을 가리키는 것을 발견했다.
삼국사기에 신라 나침판의 자석을 당나라에서 요청한 기록이 있다.
이후의 나침반은 천연 자석으로 자화된 철 바늘로 만들어졌다.
나침반 도입 이전에 항해사들은 목적지의 방향은 주로 천체의 위치를 관찰하거나 특징적인 구조물을 관찰함으로써 현재의 위치와 목적지의 방향을 결정하였다.
날씨가 흐릴 때 바이킹은 근청석이나 복굴절결정을 이용하여 태양의 방향과 고도를 알아냈다.
그들의 천문학적 지식은 이 정보를 통해 그들의 방향을 알아내기 충분했다.
바이킹들보다 남쪽에 살던 유럽인들은 이러한 기술을 몰랐으므로 나침반이 발명되고야 악천후에서 방향을 알 수 있게 되었다.
이것이 뱃사람들이 육지로부터 멀리 떨어진 곳까지 안전하게 이동할 수 있게 해 주었고, 바다를 통한 교역이 늘어나 대항해시대로 이어지게 된다.
자기는 본래 항해용이 아니라 풍수지리나 미래를 점치는 데 사용되었다는 설도 있다.
최초의 자기 나침반 역시 항해를 위해 설계되지 않았으며, 풍수지리의 원칙에 따라 주변의 환경과 건물이 조화를 이루며 정렬되도록 하는 데 사용되었으며, 윤도라는 특수한 기구에 끼워 사용하였다.
이러한 초기의 나침반은 지구의 자기장에 따라 정렬되는 천연 자석-자철광-을 사용하여 만들어졌다.
메소아메리카에서 크로서Krotser과 코Coe가 올멕 문화의 적철석 유물을 발견하고, 방사성 탄소 연대 측정 결과 기원전 1000~1400년 전의 유물이란 사실이 밝혀졌다.
이로부터 천문학자 존 칼슨은 기원전 1000년 이전 올멕에서 자침을 이용한 풍수 점을 시행했다는, 지금은 사실로 밝혀진 가설을 세웠다.
천문학자 존 칼슨은 올멕 문명이 아마 자철석을 적어도 기원전 1000년전부터 신성한 장소를 찾는 풍수지리적 목적으로 썼다는 가설을 세웠으며, 만약 이것이 참이라고 밝혀진다면 중국인들이 2000여년 전에 풍수지리에 자성을 사용한 것에 앞선다.
칼슨은 올멕 문명의 사람들이 방향을 찾는 유사한 유물을 천문학적 혹은 풍수지리적 목적으로 사용하였으며, 길을 찾는 목적으로는 사용하지 않았다고 예상했다.
유물은 한쪽 끝에 홈이 파인 자철석 막대로, 언제나 북쪽으로부터 35.5도의 위치를 가리키나 모든 부분이 있었을 경우 북쪽과 남쪽을 가리켰을 것으로 생각된다.
칼슨의 주장은 그 유물이 실제로는 장신구였으며 나침반으로 쓰기 위해 만든 것은 아니라는 다른 연구자들의 주장으로 반박되었다.
몇 가지 다른 적철석이나 자철석 유물이 콜럼버스 이전의 멕시코와 과테말라 유적지에서 발견되었다.
나침판은 신라의 라에서 비롯되었으며 해상을 통한 무역이 발달한 신라의 발명품으로 알려져 있다
비록 현재의 기록은 단지 중국의 나침반 사용이 유럽이나 중동보다 앞서 있다는 것을 보여주지만, 역사학의 일반적인 정론 은 아랍이 중국으로부터 나침반을 전파받고, 다시 이를 유럽에 전파했다는 것이다.
나침반이 정확히 언제 발명되었는지에 대해서 의견차이가 있다.
이에 대한 증거가 되는 고대 중국어 참조문헌이다.
몇 몇 저자들은 이것이 나침반의 최초사용을 나타낸다고 주장한다.
자석 나침반을 군대행군에 사용한 것은 1044년 이전이지만, 항해시대에 나침반을 사용하였다는 반박의 여지가 없는 증거는 1117년까지 나타나지 않는다.
상용적인 중국의 나침반은 물위에 자성바늘을 띄워놓는 형태였다.
송나라시대부터 원나라시대까지 중국인들은 물이 필요 없는 나침반을 만들어 내었다. 하지만 이전의 물을 사용한 나침반 만큼 중국에서 널리 사용되지는 않았다.
이것에 대한 증거는 《사림광기》에서 찾아볼 수 있다.
이 책은 1325년에 진원정(陳元靚)에 의해서 출판되었지만, 그 내용은 1100년과 1250년 사이에 만들어졌다.
중국의 건조 나침반은 걸어놓는 형태였다.
거북이 모양으로 공예 된 나무로 만들어진 골격은 판자를 이용하여 거꾸로 걸어 그 안에 자철석을 밀랍을 이용하여 고정시켰다.
그 상태로 자철석이 지구자기장에 힘을 받아 회전하면 거북이 꼬리에 달린 바늘은 항상 자북을 가리키게 된다. 하지만 유럽의 나침반의 지침면 위에 회전 점을 이용하여 상자모양으로 만든 나침반 형태는 16세기에 워코우란 일본인 선장의 전파로 사용하기 시작하였다.
중국인들의 매다는 디자인의 나침반은 18세기까지 잘 사용되었다.
그런데, 크로이츠(Kreutz)에 의하면 건식 바늘(회전점을 고정한 나무 거북이를 이용한 설계) 에 대한 문헌은 1150년부터 1250년 사이에 한가지 밖에 존재하지 않는다고 한다.
심지어 그 문헌에는 명확하게 중국항해사들이 이 건식나침반을 사용하였다는 암시가 없으며 물을 사용한 나침반을 16세기까지 사용하였다고 주장한다.
48방위 나침반을 바다항해에 처음으로 사용한 기록은 원나라 시대의 외교관이었던 주달관이 쓴 《진랍풍토기》에 있다.
그는 1296년 온주에서부터 앙코르 톰으로의 항해를 자세하게 기록하였다.
그의 배가 온주에서 출항할 때 선원이 항상 같은 방향인 남서 22.5도를 가리키는 바늘을 가지고 탔다고 한다.
그들이 베트남의 도시인 바리아(Baria)에 도착하고 난 뒤, 선원이 가지고 탔던 "쿤 센 바늘"은 , 남서 52.5를 가리키고 있었다고 한다.
명나라의 장군인 정해의 "마오쿤 지도"로 알려진 항해지도는, 정해의 여행에 관하여 바늘에 대한 기록을 자세하게 해놓았다.
중국의 첫 번째 나침반 발명 이후에 나침반의 확산에 대해서 논쟁이 있다.
크로이츠(Kreutz)에 따르면 현대 학자들의 견해는 중국의 발명이 유럽의 첫 번째 나침반에 대한 언급보다 150년 앞서다는 것이다. 하지만 확산에 대해서는 논란의 여지가 있다.
왜냐하면 아랍인들이 나침반에 있어서 서방과 동양의 중개자 역할이 아니기 때문이다.
알렉산더 네캄Alexander Neckam은 프랑스에서 영국으로 다시 되돌아 온 후, 사이렌체스터에 있는 아우구스티니아 수도원에 들어가기 전에, 1187년에서 1202년 사이에 쓰인 《도구에 관하여De utensilibus》와 《물성론De naturis rerum》의 본문에 있는 영국 해협의 지역에서의 자기 나침반 사용에 대해 보도했다.
1269년, 페레그리누스는 천문학적 목적을 위해 그가 이전에 《자기에 관한 서간》에서 항해를 위해 했던 건식 나침반에 대한 유명한 묘사처럼 유동 나침반(floating compass)을 묘사했다.
지중해에서의 나침반의 도입은 처음엔 그저 물이 있는 그릇 안에 떠다니는 자성 포인터였을 뿐이었지만, 추측항법의 방법으로 점점 발전되었고다.
마침내 포르톨라노 해도의 발전은 13세기의 후반부의 겨울에 더 많은 항해를 할 수 있도록 하였다.
지중해의 겨울은 깨끗이 갠 하늘이 드물다는 고대의 관습 때문에 10월과 4월 사이의 항해가 감소한 반면, 항해 시즌의 연장은 점차적이지만 일관된 증가를 낳아 1290년 늦은 1월과 2월에 비로소 시작할 수 있었으며 12월에 끝이 났다.
이 일은 적어도 몇 달은 경제적으로 상당히 중요했다.
그 예로써, 베네치아 호위대들이 레반트 지역으로의 왕복여행을 1년에 한번이 아닌 두 번 가능하게 했다는 것을 들 수 있다.
동시에, 13세기 십 몇년간 지중해부터 영국해협까지의 상업적 항해들 덕분에 지중해와 북유럽 사이의 교통 또한 증가하였으며, 여기서 중요한 사실은 나침반이 비스케이 만(Biscay Bay)을 가로지르는 것을 더 안전하고 쉽게 만들었다는 것이다.
그러나 크로이츠(Kreutz)와 같은 비판가들은 나침반에 의한 항해의 시작이 더 나중인 1410년이라고 생각했다.
현재, 크로이츠에 따르면, “새 증거의 발견이 없는 이상, 나침반에 관한 중국인의 언급이 그 어떤 유럽인보다 150년이나 앞섰다”라고 한다.
그러나 그 기록이 이슬람(1232, 1242, 1282) 보다 유럽이 먼저 기록(1190)했다는 증거 때문에 생긴 아랍인들의 동서양 중재인으로써의 기능 실패는 혼란스러운 의문을 남겼다.
중국 항해 나침반의 출현(1117)이 유럽과 시간적으로 근접하다는 것과, 초기 나침반의 모양이 물이 차있는 그릇에 자성 바늘이 부유하는 것처럼 보인다는 것이 그것이다.
이슬람 세계의 물고기 모양 철제 나침반에 관한 초기의 언급은 1232년에 발간된 페르시아 동화책에서부터 나왔다.
이 물고기 모양은 전형적인 초기 중국의 디자인이다.
물이 담겨있는 그릇에서의 자성 바늘의 형태 나침반에 관한 아랍의 초반 언급은 1282년에 예멘 술탄의 천문학자 알 아슈라프Al-Ashraf로부터 시작되었다.
그는 나침반을 천문학적인 목적으로 사용한 첫 번째 사람이기도 하다.
그가 아랍의 항해에서 40년 정도 먼저 나침반을 사용했다는 목격을 묘사한 이후로, 몇몇 학자들은 아랍 세계에서 먼저 나타났다는 쪽으로 의견을 내세우고 있다.
1300년, 이집트 천문학자와 이븐 사이먼(Ibn Simūn)의 시간 알림원이 쓴 또 다른 아랍의 논문은 건식나침반이 메카의 방향을 찾기 위한 "카바(Qibla, Kabba) 지표"로 사용되었다고 묘사한다.
하지만 사이먼의 나침반은 페레그리누스의 나침반처럼 지침면이 없었다.
14세기에, 시리아의 천문학자와 이븐 알 샤티르(Ibn al-Shatir)의 시간기록원(1302-1375)이 전 세계적인 해시계와 자기 나침반을 포함하는 시간기록 장치를 발명했다.
그는 살라트에서 기도할 시간을 찾을 목적으로 그 장치를 발명했다.
아랍 항해사 또한 이 시기에 32방향 나침반을 도입했다.
인도에서 나침반은 항해의 목적으로 사용되었으며, 기름이 들어 있는 컵에서의 철제 물고기 위치 때문에 마샤 얀트라(matsya yantra)로 불리고 있다.
중세 아프리카의 나침반.
중국의 나침반이 소말리아와 스왈리히 도시왕국에 있는 동아프리카 무역센터까지 위치하는 실크로드에서 무역을 통해 동아프리카까지 갔다는 증거가 있다.
또한, 스왈리히 해양 상인과 항해사들이 나침반을 소유했던 적이 있고, 그 나침반들을 스왈리히에서 다우 선(삼각형의 큰 돛을 단 아랍의 배)의 항해에 사용했다는 증거가 있다.
나침반을 만들기 위해서는 자석막대가 필요하다.
이는 지구자기장에 의해서 철과 같은 금속의 자성이 정렬되어 자화되면 된다. 하지만, 이러한 과정은 약한 자성의 자석밖에 제공하지 못한다.
따라서 다른 방법을 필요로 한다.
그 예로, 자철석을 반복적으로 철 막대기에 같은 방향으로 문질러 더 강한 자석을 만들어낼 수 있다.
이 자성을 띈 막대를 마찰이 적은 고정점위에 자유롭게 회전할 수 있도록 하면 지구 자기장방향으로 정렬되는 것이다.
이제 북쪽과 남쪽을 구분할 수 있도록 막대기에 표시를 해주어야 한다.
보통 관습적으로 북쪽방향을 표시한다.
바늘을 자철석에 문지른다면 바늘은 자화될 것이다.
코르크조각에 이 바늘을 집어넣고 그릇에 물을 받아 그 물위에 바늘이 꼽아진 코르크 조각을 띄워놓으면 나침반이 된다.
이 방법은 건식 나침반이 약 1300년에 발명되기 전까지 널리 사용되었다.
원래 나침반은 동서남북 4가지방향으로 표시되어 있다.
이후에 중국은 24개 유럽은 32개의 등간격 구간을 더 나누어 나침반의 지침면에 표시하였다.
현대에는 시계방향으로 한 바퀴를 360개의 동일한 구간으로 쪼갠 360도 체계가 사용되고 있다.
이는 직각을 100grads로 두어 한 바퀴를 400개의 구간으로 나눈 것이다.
또한 이를 10배로 다시 나누어 한바퀴가 4000decigrades가 되는 단위를 군대에서 사용하기도 했었다.
많은 수의 군사체계는 프랑스의 “millieme”체계를 사용하고 있다.
러시아 황실은 원을 600개의 구간으로 나눈 체계를 사용하였다.
소련연방은 이를 10배 더 잘게 쪼개어 “mils”란 단위를 붙여 소련연방과 바르샤바 협정국, 동독일에서 사용되었다.
이 체계는 반시계방향으로 증가하며 아직도 러시아에서 사용되고 있다.
지구의 자기장이 균일하지 않고 위도에 따라서 변하기 때문에 지구 자기장 변화에 바늘이 기울어 바늘이 지침면과 만드는 마찰에 의해서 부정확한 방향을 알려주는 것을 방지하기 위해서 생산 시에 균형을 맞추는 것이 필요하다.
많은 나침반 생산자들은 5개의 구역에서 균형을 맞춘다.
첫 번째 구역은 북반구에서 시작하여 5개의 지역에 걸쳐 오스트레일리아까지 포함한다.
몇몇의 나침반들은 특별한 바늘을 이용하여 특정 지구 위치에서의 자기장 에서도 정확한 자북을 가리키도록 한다.
다른 나침반들은 '라이더‘라 불리는 작은 미끄러짐
균형 장치를 가지고 있다.
이 장치는 지구 장기장의 위치에 따른 변화에 의해서 바늘이 기우는 것에 반대의 힘을 가해주어 오차가 생기는 것을 방지한다.
다른 자기장치들과 마찬가지로 나침반 또한 자성물질의 영향을 받는다.
나침반은 주변에 자성물질들을 예를 들어 자동차 모터, 전기 회로 주변에서 사용하면 그들이 만들어내는 자기장에 의해서 정확성이 떨어진다.
자동차나 트럭과 같은 이동수단에 의해서 나침반에 오류가 생기는 경우가 많다.
바다에서는 배의 나침반은 배의 금속들과 전자 장치들의 자기교란으로부터 나침반 기수방향(compass heading)과 자기 기수방향(magnetic heading)사이의 각도차가 생겨나는데 이를 자기편차라고 한다.
배가 흔들리면서 나침반이 회전하는 힘을 받아 방향이 틀어지는 오차가 발생하기도 한다.
이러한 나침반의 편차를 수정하기 위해서는 세 가지 방법이 있다.
첫 번째는 기수포기선또는 방위 기선이라고 불리는 선을 이용하는 방법이다.
방위 기선이란 나침반 안쪽에 쳐 놓은 선으로 배의 이물 방향을 가리킴으로써 나침반의 오차를 수정할 수 있다.
두 번째로 영구자석에 의한 효과는 나침반의 내부에 장착되어 있는 작은 자석에 의해서 수정 될 수 있다.
세 번째로 나침반 주변의 강자성물질에 의한 오차는 두 개의 철로 만든 구를 나침함 양쪽에 장착함으로써 해결할 수 있다.
네 번째는 비슷한 과정으로 일반 항공 항공기의 나침반을 보정하는 데 사용된다.
이는 자기(磁氣) 나침반 자차(自差) 수정 카드를 나침반위 또는 아래에 장착하는 것이다.
Flux gate라는 전자 나침반은 자동으로 이 조정을 하며 프로그램에 의하여 수정될 수 있다.
자기적 나침반은 지리적 북극에서 대략 100마일 정도 떨어진 자북극을 가리킨다.
이 나침반의 사용자는 자북극을 찾아 편차와 자차를 보정하여 북쪽을 결정할 수 있다.
편차는 자극들 사이에서 북극의 실제 지리적 방향과 자오선의 방향사이의 각도로 정의 된다.
대부분의 대양의 편차 값들은 1914년에 계산되어 공식으로 정해졌다.
자차는 나침반이 금속이나 전류에 의해 발생하는 자기장에 반응하는 것을 말한다.
이는 나침반의 위치를 잘 조정하거나 나침반 아래 보완 자석의 위치를 조절함으로써 보정될 수가 있다.
항해사들은 이러한 측정법이 자차를 완전히 제거시킬 수 없다는 것을 예전부터 알고 있었다.
그래서 그들은 그들이 알고 있는 자기방위를 이용해 나침반의 방위를 측정하는 단계를 추가적으로 실행하였다.
그 후 그들은 배를 그 다음 나침반 눈금에 맞추고 다시 측정하여 결과들을 도식화하였다.
이러한 방법으로, 그 지역들을 항해하기 위해 나침반을 사용할 때 찾아 볼 수 있는 보정표가 만들어질 수 있었다.
항해사 같은 전문인들은 정확한 측정에 대해 신경을 써야하지만, 일반 사람들은 자북극과 실제 북극(지리적 북극)의 차이를 우려할 필요가 없다.
자기적 편차가 극심한 지역을 제외하면, 어떤 사람이 자신이 예상한 거리와는 다른 방향으로 걸어가는 것을 방지할 수 있다.
여행한 거리(시간 혹은 속도)와 자기 방위를 정확히 기록하면, 그는 여행한 길을 모두 그릴 수 있고 시작점으로 스스로 돌아 올 수 있을 것이다.
지도(영토 협회)와 결합된 나침반 항해는 다른 방법을 요구한다.
각도 나침반을 사용하여 목적지로 도달하는 지도 방위나 실제 방위(자북극이 아닌 실제 북극을 가르킴)를 얻기 위해, 나침반의 가장자리는 목적지와 현재 위치의 연결을 위해 지도에 달려있다.
나침반 다이얼의 밑에 있는 방향기선은 실북극과 나란히 하기 위해 나침반 바늘은 완전히 무시하고 경도에 표시된 선(혹은 지도위의 지평선)과 일직선이 됨으로써 회전한다.
실제 방위나 지도 방위의 결과는, 목적지를 향한 방위각으로써 뒤따르는 지표의 각도나 DOT 선에서 읽혀질 것이다.
만약 자북극 방위나 나침반 방위가 필요하다면, 나침반은 지도와 나침반 둘 모두의 조화를 위해 방위를 사용하기 전에 자기편차의 양에 의해 조정될 것이다.
예를 들어, 지도 위에서 목적지로 두 번째 사진의 큰 산이 선택되었다.
이 때 나침반은 지역적 자기 편차를 위해 스케일을 조정하게 둘 것이다.
만약 올바로 보정된다면, 나침반은 자기 방위 대신 실제방위를 제공할 것이다.
현대 손바닥 크기의 각도 나침반은 바닥판에 항상 DOT 바늘을 갖고 있다.
사용자의 항로나 방위각의 진행을 살펴보기 위해, 혹은 물체가 진짜 목적지를 향하고 있는지 확실히 하기 위해, 새로운 나침반 읽기 방법이 눈으로 볼 수 있는 목표물에 도입되었다.
바닥판에 있는 DOT 바늘이 목표물을 향해 가리킨 후에, 나침반은 캡슐 안에서 나침반 바늘이 DOT 바늘 위에 겹쳐지게 한다.
그 결과로 나타난 방위는 목표지점을 향한 자기 방위이다.
또다시, 사용자가 실제 방위 혹은 지도 방위를 사용한다면, 그리고 나침반이 자동제어나 선 보정 기기가 없다면, 사용자는 자기방위를 실제 방위로 전환시키기 위해서 추가적으로 자차를 더하거나 빼야한다.
자차의 정확한 값은 편차가 주로 지도나 온라인의 다양한 사이트에서 얻을 수 있는 것 일지라하더라도 장소 의존적이고 시간대에 따라 다양하다.
만약 여행자가 올바른 길을 따라 가고 있다면, 나침반의 올바른 (실제) 지시 방위는 지도에서 얻은 실제 방위와 거의 일치한다.
이는 나침반을 읽을 때 오차를 만들어 낼 것이다.
바늘이 편평하게 잘 놓여 있는지를 보기 위해 바늘을 가까이서 보아야 하고, 바늘이 자유롭게 이리 저리 흔들리는지, 바늘이 나침반의 케이스와 부딪히지 않는지 보기 위해 살짝 기울여보아야 한다.
만약 바늘이 한 방향으로 기울면, 바늘이 수평으로 길게 될 때까지 반대 방향으로 조심스럽게 살짝 기울여 보아라.
나침반 주위에 놔둘 물건으로 피해야 할 것은 자석과 전자기기들이다.
전자기기로부터 나오는 자기장은 바늘이 지구의 자기장을 향해 가리키지 못하도록 방해를 하며 손쉽게 망가뜨린다.
지구의 자연적 자성은 0.5 가우스로 상당히 약하고, 가전제품들의 자기장은 그를 초과하며 나침반 바늘을 제압한다.
강한 자석이나 자성을 띠는 방해요인에 노출되는 것은 가끔 자북극을 가리키는 바늘이 다른 곳이나 완전 반대를 가리키게 만든다.
나침반을 쓸 때에는, 자철석처럼 자성을 띠는 미네랄을 포함한 바위와 같은 철이 풍부한 곳은 피하라.
이는 모든 자성을 띠는 미네랄 함유 바위를 말하는 게 아니라 어두운 표면과 금속광택을 가진 바위를 말한다.
바위나 지역이 나침반을 방해하는지를 알아보려면, 그 지역으로부터 나와 바늘이 움직이는지를 보면 된다.
만약 움직인다면, 바위나 지역이 나침반에 방해를 일으키고 있다는 것을 의미하며 그 자리를 피해야한다.
계급은 대장(4성 장군, 제독)으로 임용하며, 국방부 장관의 추천을 통해 대통령이 임용한다.(군 창설 당시에는 군의 규모가 작았기 때문에, 중장(3성 장군, 제독)이 역임하였음) 대한민국 육군의 경우에는 육군지상작전사령부 사령관, 육군제2작전사령부 사령관 등의 계급이 역시 대장이지만 육군참모총장의 서열이 더 높다.
법률에 따라서 군정권을 갖고 소속군을 지휘통제하며 예하 부대가 최상의 전투태세를 유지하도록 한다.
유럽의 상당수의 군대(독일연방군 등)와 자위대에서는 대장을 오직 합동참모의장 단 1명만 배치하므로 참모총장 보직에 중장을 배치한다.
단 자위대에서는 참모총장에 해당되는 보직의 호칭을 막료장이라 한다.
참고로 대한민국 합동참모본부의 수장인 대한민국의 합동참모의장이 대한민국 국군의 서열 1위인 최고 선임장교이다.
다음이 육·해·공군참모총장으로 서열이 각각 2, 3, 4위, 그 외 4성 장군인 한미연합부사령관과 육군의 야전군 사령관들 4명중에서는 진급일이 빠른 순으로 서열 5위 이하가 결정된다.
1인칭 슈팅 게임()은 게임상의 캐릭터의 시점을 통해 이루어지는 대전 비디오 게임이다.
이 단순한 정의에 따르면 배틀존이나 많은 비행 시뮬레이터들도 이에 포함될 수 있다.
그러나, 이 용어는 1990년대 초기에 시작된 특정 장르의 1인칭 시점 게임을 기술하기 위해 정의되었으며, 주로 다양한 무기와 제한된 탄약을 가지고 조준, 발사, 저격 등 조작을 하는 게임에만 사용되고 있다.
현대의 FPS 장르는 1990년대 초기에 발생했다.
그때부터 기초적인 3차원 그래픽을 실시간으로 그릴 수 있을만한 성능의 컴퓨터가 나오기 시작했고, 당시로선 획기적이었던 이드 소프트웨어의 울펜슈타인 3D와 둠 등이 많은 인기를 누렸다.
이후 둠은 FPS 장르를 개척한 교과서적인 게임이 되었고, 둠의 대성공 이후 많은 FPS게임들이 쏟아져 나왔으며 그중에는 듀크 뉴켐 3D나 시스템 쇼크와 같은 참신한 작품도 있었으나, 상당 기간 동안 이 장르의 게임은 '둠 클론'으로 흔히 간주되었다.
FPS는 일부 게임의 폭력성과 선정성 때문에 비디오 게임 논쟁의 주요 대상이 된다.
그러나, 그보다 시각적 사실성은 FPS 게임의 본래적 특징이라고도 할 수 있다.
또한 게임 자체 특성상 3D그래픽을 사용하는 것이 일반적이며 그래서 그 시대의 고급 그래픽 엔진을 사용하는 경우가 많다.
이런 특징으로 FPS는 자주 출시 당시 그래픽 기술의 척도가 된다.
1세대 렙톤이고, 하위 구조나 하부 입자가 알려진 바가 없기 때문에 기본 입자로 여겨진다.
양성자보다 1836배 작은 질량을 가지고 있다.
양자역학적 속성으로 스핀이라 불리는 1/2만큼의 고유각운동량을 가진다.
동일한 양자 상태를 가지는 입자가 존재할 수 없다는 파울리 배타 원리를 따르는 페르미온이다.
다른 기본입자들과 마찬가지로 파동-입자 이중성을 가진다.
전기, 자기, 화학, 열전도 등의 주요한 물리적 현상에 참여하며, 중력, 전자기력, 약한 상호작용의 영향을 받는다.
전하를 띄기 때문에 전기장을 형성하며, 관찰자와 상대적으로 움직이고 있을 경우 자기장이 관찰된다.
전기장과 자기장은 로런츠 법칙에 의해 상호 유도된다.
전자는 가속할 때 광자의 형태로 에너지를 방출하거나 흡수한다.
전자 플라즈마를 통해 개개의 전자를 포착할 수 있으며, 특수한 망원경은 우주 공간에서 날라오는 전자 플라즈마를 탐지할 수 있다.
전자공학, 브라운관, 방사선 치료, 레이저, 입자 가속기 등 다양한 범위에서 응용된다.
전자와 다른 아원자 입자와의 상호작용은 화학이나 핵물리학의 영역이다.
원자핵 내부의 양성자와 전자들은 정전기적 상호작용을 통해 원자를 구성한다.
두 개 이상의 원자는 전자를 공유함으로써 화학 결합을 형성할 수 있다. 1838년 영국의 자연철학자인 리처드 래밍이 처음으로 원자의 화학적 성질을 설명하기 위해 전자라는 개념을 도입했고, 아일랜드의 물리학자 조지 존스턴 스토니가 처음으로 베타 입자에 전자라는 이름을 붙인다.
전자는 방사성 동위 원소의 베타 붕괴나 고에너지 충돌 등으로 인해 자연적으로 발생한다.
전자의 반입자는 양전자라고 하며, 전하가 +1e인 것만 제외하면 모든 성질이 전자와 동일하다.
전자와 양전자가 충돌하는 경우 두 입자는 감마선을 만들어내며 소멸한다.
탈레스는 호박석에 털을 문지르면 작은 물체가 달라붙는 현상인 정전기를 발견한다.
이후 시간이 많이 흘러서, 벤저민 프랭클린에 의하여 번개가 전기라는 사실이 알려진다.
1600년에는 윌리엄 길버트가 《자석에 관하여()》라는 책에서 보석의 일종인 호박석과 같은 물체에서 이를 털로 문지른 다음에 다른 작은 물체들을 끌어당기는 성질을 서술하며 "electrica"라는 용어를 제시한다.
이는 호박석을 의미하는 그리스어 (엘렉트론)에서 유래한 라틴어 ""에서 따온 것이며, 전기를 의미하는 영단어 electric과 electricity이 모두 여기서 유래한다.
두 종류의 전하를 발견하다.
1700년대 초, 샤를 프랑수아 뒤페는 대전된 금박이 비단으로 문지른 유리를 가져다 댔을 때에는 밀려나고, 양털로 문지른 호박석을 가져다 댔을 때에는 끌려온다는 사실을 발견한다.
이러한 종류의 실험을 반복한 이후 뒤페는 두 종류의 전기가 존재한다는 사실을 발견하고는 각각 유리전기(vitreous)와 수지전기(resinous)라는 용어를 붙인다.
미국의 과학자 에베니저 키너슬리 역시 이후 독립적인 연구를 통해 뒤페와 동일한 결론을 얻는다.
이로부터 대략 10년이 지나고 벤저민 프랭클린은 두 종류의 전기가 있는게 아니라, 한 가지 종류의 전기가 많고(+) 적음(−)에 따라 이런 현상이 나타나는 것이라고 설명한다.
전기를 음과 양으로 구분하는 방식은 프랭클린이 고안한 이후 현대까지도 사용되고 있다.
또한 프랭클린은 이 한 종류의 전기가 양전하의 이동으로 발생한다고 생각했다. 하지만 이는 실험적 결과에 근거한 것은 아니었다.
1838년에서 1851년 사이, 영국의 자연철학자 리처드 래밍은 전하의 기본단위로 둘러쌓인 형태의 원자 개념을 제시한다. 1846년 초에 빌헬름 에두아르트 베버는 전기가 양으로 대전된 흐름과 음으로 대전된 흐름으로 인해 발생한다고 보았으며, 이들의 상호작용이 역제곱 법칙을 따를 것으로 추측했다.
1874년에 전기 분해에 대한 연구가 진행되자 아일랜드의 물리학자인 조지 존스턴 스토니는 전하의 기본단위가 존재하고, 그 기본 전하는 1의 원자가를 가지는 이온의 전하와 동일하다는 가설을 세웠다.
스토니는 이 값을 패러데이의 전기분해 법칙에 의해 e라고 제안했다.
스토니가 밝혀낸 사실들은 대부분 현대에도 그 사실성이 입증되었지만, 원자에 전자가 영구히 부착되어 분리할 수 없다고 주장하는 실수를 저지른다.
1881년 독일의 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠는 양전하와 음전하가 모두 원자처럼 행동하는 기본 단위로 나뉠 수 있을 것이라고 주장했다.
이후로 접미사 -on은 양성자(proton), 중성자(neutron), 페르미온, 보손 등 아원자 입자를 나타내는 단어로 꾸준히 사용되고 있다.
음극선 연구와 자유전자의 발견.
톰슨이 원자의 구성성분이자 입자로써의 전자를 발견한 데에는 수십년간 수많은 물리학자들이 음극선을 가지고 연구한 공로가 담겨있다.
1859년, 율리우스 플뤼커는 음극선관에서 인광을 발견하고, 이 빛이 자기장에 의해 움직인다는 사실을 기록한다. 1869년에 플뤼커의 제자인 요한 빌헬름 히토르프는 음극 앞에 고체 장애물을 둘 경우 인광에 그림자가 생긴다는 사실을 발견하고, 음극선에서 방사된 무언가가 직진하여 음극선관의 유리병을 때림으로써 인광을 발생시킨다고 추측한다. 1876년, 독일의 물리학자 오이겐 골트슈타인은 이 빛이 음극 표면에 수직한 방향으로 방사되며, 백열등의 빛과는 다른 종류의 무언가라는 사실을 발견하고 음극선이라 이름짓는다.
1870년대에 영국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 크룩스는 진공관으로서의 음극선을 개발하고, 1874년에는 진행경로에 작은 바람개비를 두었을 때 돌아간다는 사실을 발견하여 음극선에 운동량이 존재함을 처음으로 기록한다.
크룩스는 여기서 멈추지 않고 자기장을 가했을 때 음극선이 휜다는 사실로부터 음극선이 음전하를 띄었을지도 모른다고 주장한다. 1879년에 크룩스는 이를 두고 음극선이 전하를 띈 분자이며, 기체와 유사하지만 매우 긴 평균자유행로를 가지는 네번째 물질의 상태라는 결론을 내린다.
독일 태생의 영국인 물리학자 아서 슈스터는 크룩스의 실험에 전위를 추가적으로 가하고, 음극선이 양극으로 휘는 것을 관찰함으로써 음극선이 음극을 띠었음을 더욱 분명히 한다.
이 때 휘는 정도를 측정해 1890년에 이미 음극선의 비전하를 어림잡아 계산하기도 한다.
그러나 전자는 원자보다 수천배나 작은 질량을 가진지라 당시 계산결과는 기대했던 것보다 매우 크게 나왔고, 학계로부터 크게 신임받지 못하였다.
1892년에는 헨드릭 로런츠가 음극선을 구성하는 입자가 단위 전하를 가지고 있는 것이 아닌, 일정한 비전하로 커지는 질량을 가지고 있다는 제안을 한다.
자연적으로 형광을 띄는 물질을 연구하던 프랑스의 물리학자 앙리 베크렐은 이들이 외부에서 어떠한 에너지를 가하지 않아도 자체적으로 발광한다는 사실, 즉 방사성 붕괴를 1896년에 발견한다.
이 현상은 발견 당시부터 전세계의 과학자들의 이목을 끌었다.
뉴질랜드의 물리학자 어니스트 러더퍼드는 이 물질들이 입자를 방출한다는 사실을 발견하고서 물질의 투과 정도에 따라 알파 입자와 베타 입자로 분류한다. 1900년에 베크렐은 라듐이 방출하는 베타선을 연구하다가 베타선이 전기장에 의해 음극선의 비전하와 같은 비전하로 휘어진다는 사실을 발견한다.
베크렐은 몰랐지만, 이는 전자가 원자의 구성물이라는 대표적인 증거이다.
1897년, 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 존 실리 타운센드, 해롤드 앨버트 윌슨과 함께 음극선이 원자나 분자, 파동이 아닌 새로운 종류의 입자라는 사실을 증명하는 실험을 설계한다.
톰슨은 이렇게 발견한 입자의 전하량과 질량을 정확하게 계산해내고, 가장 가벼운 원자인 수소보다도 2,000여배 가량 가벼운 성질에 착안하여 소체()라 명명한다.
또한 이 입자가 음극선뿐만 아니라 방사성 물질에서도, 열을 가한 물질에서도, 특별한 빛을 조사한 물질에서도 방출된다는 사실을 발견한다.
전자(electron)이라는 이름은 조지 프란시스 피츠제럴드와 헨드릭 로런츠에 의해 자리잡게 된다.
전자의 질량은 미국의 물리학자 로버트 앤드루스 밀리컨과 하비 플레처가 1909년에 실시한 기름방울 실험에서 측정되어 1911년에 보고된다.
이 실험은 전기장을 통해 낙하하는 대전된 기름방울을 중력으로부터 잡아내는 방식으로 이루어졌다.
그 결과 기름 방울들이 어떤 특별한 값의 정수배로 전하를 띤다는 사실이 밝혀졌다.
톰슨은 물방울로 비슷한 실험을 했지만 물이 쉽게 증발하는 바람에 정확한 값을 얻는데 실패했고, 아브람 요페는 금속 방울을 가지고 같은 실험을 해서 1913년에 그 결과를 발표한다.
이로써 밀리컨은 기름방울의 전하량을 측정했고, 많은 기름방울을 측정한 결과, 그 값이 대략 1.60×10-19의 정수배값을 갖게된다는 것을 확인했다.
톰슨의 전자 발견과 비슷한 시기에 대전된 입자가 과포화 상태의 증기를 지나가면 그 경로를 따라 구름이 생긴다는 사실이 발견되고, 1911년에는 찰스 윌슨이 이를 응용하여 안개 상자를 발명한다.
원자와 전자의 관계는, 닐스 보어가 고전양자론으로 원자를 이해하려고 시도한 이후, 헨리 모즐리의 X선 스펙트럼 실험이 뒤따르면서 구체적으로 밝혀지기 시작했다.
1914년까지 어니스트 러더퍼드와 헨리 모즐리, 제임스 프랑크, 구스타프 헤르츠 등이 여러 가지 실험을 통해 원자의 중심에 양전하를 띄는 원자핵이 존재하고, 이보다 수천배 가량 가벼운 전자가 그 주위를 돌고 있다는 사실을 밝혀낸다. 1913년에는 덴마크의 물리학자 닐스 보어가 전자가 가질 수 있는 에너지 준위가 양자화되어있으며, 이 에너지는 전자 궤도의 각운동량에 의해 결정된다는 사실을 보인다.
보어는 이러한 모델을 통해 수소원자의 선스펙트럼이 어떤 에너지 준위에 있는 전자가 다른 에너지 준위로 이동하기 위해서는 그 차이만큼의 에너지를 광자의 형태로 흡수 또는 방출 하기 때문에 나타나는 현상이라고 완벽하게 설명해낸다.
그러나 보어의 이론은 왜 각 스펙트럼의 세기가 다르게 나타나는지, 그리고 여러개의 양성자를 가진 헬륨 이상의 원자에서 나타나는 선스펙트럼의 양상은 설명하지 못했다.
원자간 화학 결합 역시 전자에 의해 설명되기 시작한다. 1916년에 길버트 뉴턴 루이스는 공유 결합이 두 원자가 전자쌍을 서로 공유하며 나타나는 현상임을 밝혀냈고, 1927년에는 발터 하이틀러와 프리츠 론돈이 양자 역학의 언어로 원자들이 어떻게 전자쌍을 서로 공유하는지 설명해내는데 성공했다.
1919년에는 미국의 화학자 어빙 랭뮤어가 루이스의 정적 모형에 덧붙여 전자껍질의 두께들이 모두 동일하여 동심원을 이룬다고 주장하는데, 곧이어 전자 껍질에 전자쌍이 들어갈 수 있는 방이 여러개 존재한다는 원자모형을 제안한다.
이 랭뮤어의 원자모형은 주기율표 상의 모든 원소들이 화학 결합을 형성하는 방식을 성공적으로 설명해낸다.
1924년에는 오스트리아의 물리학자 볼프강 파울리가 원자의 껍질 구조를 네 종류의 양자적 에너지 상태로 설명할 수 있으며, 각 상태에는 한 개 이상의 전자가 들어갈 수 없다는 파울리 배타 원리를 제안한다.
그러나 당시까지 전자의 양자적 상태로는 궤도 번호와 각운동량밖에 밝혀져 있지 않은지라 나머지 파울리가 주장한 나머지 두 가지 에너지 상태는 아직 가설의 영역에 불과했다.
그러나 1925년에 네덜란드 출신의 두 물리학자 사무엘 구드스미트와 조지 울렌벡이 자기 쌍극자 모멘트가 양자화되어 있고, 전자만의 고유 각운동량이라는 개념을 제안하면서 나머지 두 에너지 상태도 모습을 드러낸다.
이 고유 각운동량이라는 개념은 지구가 공전뿐 아니라 자전도 한다는 사실에서 착안한 것으로, 이후 슈테른-게를라흐 실험을 통해 그 실재가 증명됨과 동시에 스핀이라는 이름으로 알려지게 된다.
스핀의 도입으로 인해 선스펙트럼을 고해상도로 보았을 때 선이 갈라져 미세 구조가 나타나는 이유도 동시에 설명된다.
물질파 가설이란 모든 물질이 빛처럼 파동-입자 이중성을 가진다는 것인데, 실제로 빛은 그 진행 경로와 위치를 특정할 수 있으며 운동량을 가지는 등 입자설을 가지는 동시에, 이중 슬릿 실험에서 보여주듯 회절하는 파동의 특성도 동시에 가지고 있음이 당시에 알려져 있었다.
이후 조지 패짓 톰슨은 1927년에 전자를 얇은 금속 박막에 통과시켜서 회절무늬를 관찰하고, 클린턴 조지프 데이비슨과 레스터 저머는 니켈 결정에 전자빔을 쏘았을 때에도 회절무늬가 나타난다는 사실을 발견함으로써 물질파 가설이 참임을 증명한다.
전자가 파동성을 가진다는 드브로이의 가설은 에르빈 슈뢰딩거에 의해 빛을 발한다.
슈뢰딩거는 전자를 파동으로 해석하여 원자핵에 전자기력으로 포섭된 전자의 움직임을 파동함수라는 개념으로 모델링하고, 1926년에 이를 슈뢰딩거 방정식으로 발표한다.
이 방정식은 전자의 회절과, 보어는 설명하지 못했던 다양한 원자들의 선스펙트럼 양상을 정량적으로 설명해내는데 성공한다.
또한 이 파동함수라는 개념은 이후 전자의 정확한 위치가 아닌, 발견 확률을 나타내는 함수로 해석됨으로써 양자역학의 두 번째 장을 연다.
1928년에는 파울리의 업적에 폴 디랙이 특수 상대성이론과 해밀토니언의 대칭성을 첨가하여 디랙 방정식이라는 새로운 전자 모형을 제시한다.
디랙은 1930년에 이 방정식의 상대론적 해를 구하는 과정에서 진공을 음의 에너지로 가득찬 공간인 디랙의 바다로 해석하였다.
이는 곧 양전자가 존재한다는 뜻으로, 반물질의 존재를 암시하는 것이다.
2년 후인 1932년에 칼 데이비드 앤더슨이 양전자를 발견하여 디랙의 이론이 맞았다는게 증명된다.
앤더슨은 기존의 전자를 음전자(negaton)로 부르자고 제안하지만, 이는 받아들여지지 않는다.
1947년에는 윌리스 유진 램과 석사과정 학생 로버트 러더퍼드는 분명히 같은 에너지값을 가져야 하는 두 양자 상태가 서로 미세한 차이로 벌어져 있음을 발견하고 램 이동이라 명명한다.
동시에 폴리카프 쿠시는 실험 결과 전자의 자기모멘트가 디랙이 계산한 이론값보다 조금 더 큰 값을 가진다는 사실을 발견한다.
이 차이는 이후 이상자기모멘트라 불리게 되며, 1940년대 후반에 도모나가 신이치로, 줄리언 슈윙거, 리처드 파인만 등에 의해 양자 전기역학이라는 학문이 구축되며 설명된다.
입자가속기가 개발된 이후로 물리학자들은 아원자 입자를 더 깊이 들여다볼 수 있게 되었다.
1942년에 전자기 유도를 응용하여 개발한 베타트론을 통해 처음으로 전자를 2.3MeV까지 가속하는데 성공한다. 1947년에는 제너럴 일렉트릭에서 싱크로트론 방사 기술을 개발하여 전자를 70 MeV까지 가속시킨다.
이로써 전자는 빛의 속도에 근접하게 가속되기 시작한다.
1968년에는 세계 최초의 입자 충돌기인 ADONE가 운영을 시작한다.
전자와 양전자를 서로 반대방향으로 가속시켜 충돌시킴으로써 입자를 정지한 판에 충돌시키는 기존의 방식에 비해 두 배로 높은 에너지를 다룰 수 있게 된 것이다.
ADONE은 1.5 GeV까지의 에너지를 다룰 수 있었는데, 1989년부터 2000년까지 운영된 CERN의 대형 전자 양전자 충돌기(LEP)는 무려 209 GeV까지 그 에너지를 높임으로써 입자물리학의 표준 모형 연구에 지대한 공헌을 했다.
표준 모형에 의하면 전자는 렙톤이라는 기본 입자 그룹에 속하여 어떠한 하부 구조도 존재하지 않는다.
전자는 전하를 가지는 렙톤 중에서는 가장 작은 질량을 가지며, 세대를 따지자면 1세대에 속한다. 2세대 렙톤 중에서는 뮤온이, 3세대 렙톤 중에서는 타우 입자도 전하를 띄지만 전자보다 훨씬 무겁다.
렙톤은 강한 상호작용을 하지 않는다는 점에서 같은 기본 입자인 쿼크와 구분된다.
렙톤들은 모두 반정수 스핀을 가지는 페르미온이다.
전자의 불변 질량은 킬로그램이고, 원자 질량 단위로 보자면 u이다.
아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리에 의하면 0.511MeV 만큼의 정지에너지를 가지는 것이다.
양성자와 비교하면 1836배 가볍다.
물리학자들은 이 양성자 전자 질량비가 시간에 따라 달라지지는 않는지를 관측했는데, 표준 모형이 예측하는 바와 같이 최소한 우주의 나이 절반부터는 지금의 값을 가졌다는 사실을 밝혀냈다.
전하는 쿨롱이고, 그 자체로 기본 전하 e로 사용되기도 한다.
양성자와 정확히 같은 크기에 부호만 반대인 전하값을 가지고 있다.
고유 각운동량, 즉 스핀 양자수는 이다.
모든 페르미온들이 이러한데, 단위까지 같이 쓰자면 의 고유 각운동량을 가지고, 한 축을 잡아 사영한다면 ±의 값을 가지는 것이다.
또 전자는 스핀 축을 따라 고유 자기 모멘트를 가진다.
자기모멘트에 대한 스핀의 방향은 나선도라는 새로운 성질을 정의한다.
전자가 유한한 크기를 가진다는 가설은 상대성이론과 양립할 수 없고, 그렇다고 크기가 없는 점입자로 간주한다면 자체에너지가 발산해야한다는 문제를 가진다.
따라서 현대 이론물리학계에서는 이 문제를 해결하기 위해 연구를 이어가고 있다.
양자역학을 배제하고 고전적인 이론을 통해 예측한 고전전자반지름은 인데, 이는 양성자의 반지름보다도 크다.
에너지에 대한 불확정성 원리를 적용하면 전자의 이론적 반경은 를 넘을 수 없는데, 페닝 트랩을 이용한 실험 결과는 전자의 직경이 를 넘을 수 없다는 사실을 보여준다.
많은 기본 입자들이 더 작은 질량의 입자로 붕괴한다.
일례로 뮤온은 초의 평균 수명이 지나면 전자, 뮤온 중성미자, 전자 반중성미자로 붕괴한다.
반면에 전자는 전하를 가진 기본 입자들 중 가장 가벼워서, 그 붕괴는 전하량 보존 법칙에 위배된다.
이에 따라 전자는 붕괴하지 않을 것이라는 예측이 지배적이며, 실험적으로는 년 이상의 평균 수명을 가지고 있다는 사실이 90%의 신뢰 구간으로 인정된다.
다른 입자들과 마찬가지로, 전자 역시 파동성을 띈다.
이는 파동-입자 이중성이라고 하는 성질로, 이중 슬릿 실험에 의해 쉽게 검증할 수 있다.
전자는 파동성을 가지므로 두 개의 슬릿을 동시에 통과한다.
양자 역학에서 입자의 파동성은 복소함수인 파동 함수로 기술되는데, 파동 함수를 나타낼 때에는 대부분 그리스어 알파벳 프사이("ψ")로 표기한다.
이 파동함수의 절댓값을 제곱하면, 입자가 그 위치에서 발견될 확률 밀도를 얻을 수 있다.
전자들은 서로 고유 성질이 모두 동일하여 이론적으로 구분할 수 없는 동일 입자 관계이다.
이는 곧 상호작용하는 전자들이 서로 위치를 바꾸더라도 우리가 이것을 알 수 없다는 것을 의미한다.
페르미온의 파동함수는 반대칭적이라고 하는데, 이는 두 서로 상호작용중인 두 입자의 위치를 바꿀 때 파동함수의 부호가 반대로 바뀐다는 것이다.
즉 파동함수의 부호만 달라지므로, 우리가 관측 가능한 계의 물리적 상태인 확률 밀도 함수는 서로 위치를 바꾸기 전과 동일한 값을 가진다.
이런 반면, 보손의 파동함수는 두 입자의 위치를 바꾸었을 때 부호마저 동일하므로 대칭적이라 한다.
반대칭적 파동함수는 그 성질상 두 입자가 같은 지점에 동시에 놓일 수 있는 확률이 0인데, 이는 파울리 배타 원리의 수학적 근거가 된다.
조금 비약하는 감이 있지만 이해를 돕기 위해 간단히 말하자면, 모든 광자는 가상의 전자와 양전자가 쌍생성되었다가 아주 짧은 시간 후에 다시 결합하여 쌍소멸되어 발생한다.
진공상태에서는 불확정성 원리 Δ"E"·Δ"t"≥"ħ"로 인해 에너지가 요동치는데, 이 에너지가 질량을 가진 입자를 만들어낼 정도로 높아졌을 때 쌍생성이 발생하고 낮아지면 쌍소멸이 일어나는 것으로 해석할 수 있다.
계산하면 가상 전자는 최대 까지 존재할 수 있다.
전자-양전자가 쌍생성되면 즉각적으로 두 입자 주위로 전기장이 형성되고, 같은 종류의 입자끼리는 밀어내고 다른 종류의 입자끼리는 끌어당기는 정전기력이 작용하게 된다.
이로 인해 발생하는 현상을 진공편극이라 하는데, 물질에서밖에 존재할 수 없는 유전율이 진공에서 관측되는 이유를 제공한다.
또한 전자의 질량에 대해 가리움 효과를 만들어내기도 한다.
진공편극은 1997년에 일본의 가속기 TRISTAN에서 실험적으로 검증되었다.
전자의 자기모멘트가 보어 마그네톤값에서 0.1%정도의 편차를 가지는 현상인 이상자기모멘트 역시 가상입자와의 상호작용으로 설명된다.
이론물리학자들이 계산을 통해 이 편차를 굉장히 높은 정확도로 설명해낸 것은 양자 전기역학의 가장 위대한 성취들 중 하나로 인정받고 있다.
고유각운동량과 자기모멘트를 가질 수 없다는 고전물리학상의 모순점은 전자로 인해 형성된 전기장속에 가상 광자를 도입함으로써 설명된다.
이 광자는 전자가 굉장히 빠르게 진동하는 치터베베궁이라는 현상을 만들어내고, 결국 전자로 하여금 세차 운동이 있는 원운동을 하게 하여 스핀과 자기모멘트를 만들어내는 것이다.
원자 스케일에서는 가상 광자를 통해 램 이동을 설명할 수 있다.
콤프턴 파장을 관찰해보면 불안정한 에너지로 인해 가상광자가 전자 주위에서 생성되었음을 확인할 수 있다.
램 이동은 또한 가상 입자가 근거리에서 정적으로 존재함을 암시한다.
전자는 전기장을 형성하고, 이 전기장 내에서 전하를 띈 물질들은 상대론적 효과를 배제한다면 쿨롱 법칙에 의해 상호작용한다.
전자가 움직이는 경우에는 상대론적 효과로 인해 자기장이 만들어지는데, 전자의 움직임인 전류와 자기장의 관계식은 앙페르 회로 법칙에서 잘 규명된다.
이처럼 전기는 자기를, 자기는 전기를 유도할 수 있으며 이러한 현상을 전자기 유도라 하는데, 전동기는 이 법칙을 응용한 대표적인 발명품이다.
전자가 아광속으로 움직일 때 발생하는 상대론적 전자기장은 리에나르-비헤르트 퍼텐셜에서 잘 묘사된다.
전자가 자기장의 영향권에 들어가면 로런츠 힘이 전자의 이동방향에 수직으로 작용하기 시작한다.
로런츠 힘이 구심력으로 작용하기 때문에 전자는 회전 반지름의 나선 궤도를 그리며 운동한다.
등속 원운동이 가속운동이기 때문에 전자는 빛을 방출하는 싱크로트론 방사라 불리는 현상을 보인다.
이 때 에너지가 빠져나가기 때문에 아브라함 로런츠 힘을 받아 전자의 이동속도가 감소한다.
이를 방사 반작용이라고도 한다.
양자 전기역학에 의하면 전자기적 상호작용은 두 입자가 광자를 교환하면서 발생한다.
주변에 아무것도 없이 혼자서 등속운동만 하는 전자가 에너지 보존 법칙이나 운동량 보존 법칙을 어겨가면서 광자를 흡수하거나 방출할 수는 없는 노릇이다.
그런데 주변에 전하를 띈 물체가 놓이게 되면, 가상 전자가 두 물체 사이에서 운동량을 서로 교환해주고, 이에 따라 쿨롱힘이 발생한다.
이처럼 쿨롱힘에 의해 궤적이 굴절될 때에도 전자는 빛을 방출하는 제동 복사라는 현상을 보인다.
광자와 자유전자가 비탄성적 충돌을 할 때에 콤프턴 산란이 발생한다.
여기서 c는 진공의 광속을, me는 전자의 질량을 의미한다.}} 그 최대치는 로 콤프턴 파장이라고도 불린다.
가시광선처럼 빛의 파장이 마이크로미터 단위를 가진다면 이처럼 작은 차이는 무시될 수 있다.
이처럼 장파장과 전자 사이의 상호작용은 톰슨 산란이라는 별개의 원리로 따로 설명한다.
두 입자사이의 전자기력은 미세 구조 상수라는 이름의 상수로 설명하기도 한다.
두 입자 사이의 정전기적 에너지와, 전자 자체의 정지에너지 사이의 비율도 이와 같은 값을 가지는데, 계산하면 대략 이다.
전자와 양전자가 충돌하면 쌍소멸하며 여러 개의 광자를 감마선의 형식으로 방출한다.
만일 전자와 양전자가 거의 정지한 상태였다고 한다면 포지트로늄을 일시적으로 형성한 후에 2~3개의 광자를 감마선의 형출로 방사하는데 이 때 방출되는 에너지는 다 합치면 정도 된다.
반면 고에너지 광자가 원자핵 등 전하를 띈 물질에 주사될 때 쌍생성이 관찰되기도 한다.
약한 상호작용에 대한 이론에서 전자의 파동함수중 왼손형은 약한 아이소스핀에서 전자 중성미자와 이중항을 이루는데, 이는 전자 중성미자가 전자와 동일하게 약한 상호작용을 한다는 뜻이다.
또한 이 둘은 W 보손을 방출하거나 흡수하면서 전하 흐름을 통해 다른 입자로 변환된다.
W 보손이 전하를 날라주기 때문에 이 때 전하량의 변화는 발생하지 않는다.
전하 흐름은 방사성 동위 원소의 베타 붕괴와도 관련이 있다.
전자와 전자 중성미자는 모두 를 교환함으로써 중성 흐름에 참여하고, 이로 인해 중성미자와 전자는 서로 탄성 산란된다.
전자는 쿨롱힘에 의해 양전하를 띄는 물질에 구속될 수 있다.
한 개 이상의 전자가 원자핵에 구속된 구조를 원자라 한다.
만일 전자의 갯수가 원자핵의 양성자 갯수보다 많거나 적어지면 원자 자체가 전하를 띄게 되는데, 이를 이온이라 한다.
구속된 전자의 파동성으로 인해 전자는 원자 오비탈이라 불리는 특수한 분포를 가진다.
각각의 오비탈은 에너지, 각운동량 등이 양자화되어 있으며 그 값은 파울리 배타 원리로 인해 서로 다를 수 밖에 없다.
이에 따라 각각의 오비탈은 고유의 양자수를 통해 서로 구분된다.
또한 하나의 오비탈에는 두 개의 전자가 들어가는데 이 둘은 각자 스핀 양자수로 구분된다.
전자는 광자를 방출하거나 흡수하면서 오비탈 사이를 이동할 수 있으며, 이외에도 다른 입자와의 충돌로 인해 오제 효과가 나타날 수 있다.
원자를 탈출하기 위해 전자는 이온화 에너지만큼의 에너지를 필요로 한다.
이처럼 전자가 원자의 구속으로부터 탈출하는 대표적인 현상이 바로 광전 효과이다.
오비탈에 있는 전자들의 각운동량은 양자화되어있으며, 전자에 전하가 있기 때문에 이런 각운동량의 양자화는 자기 모멘트의 양자화로 귀결된다.
원자는 모든 전자와 원자핵의 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트를 합친 만큼의 총 자기 모멘트를 가지는데, 원자핵의 자기 모멘트는 전자의 자기모멘트에 비해 무시할 수 있을 만큼 작은 값을 가진다.
만일 한 오비탈에 두 개의 전자가 들어있는 경우에는 두 전자가 서로 반대 방향의 스핀을 가지기 때문에 그 자기모멘트들이 서로 상쇄된다.
원자간 화학 결합 역시 전자기적 상호작용의 결과물로 양자역학으로 설명할 수 있다.
원자들은 전자를 공유함으로써 강하게 맞물린 형태의 분자라는 구조를 만들어낸다.
분자 내부에서 전자는 여러개의 원자핵과 상호작용하여 분자 오비탈을 만들어낸다.
원자 오비탈과 마찬가지로 분자 오비탈에서도 전자쌍이 중요한 역할을 한다.
전자쌍은 서로 다른 스핀을 가진 전자가 하나의 오비탈을 차지하는 것을 의미하는데, 이 때 스핀이 서로 다르기 때문에 파울리 배타 원리를 동시에 만족시킬 수 있다.
두 원자 사이의 결합에 직접적으로 관여하는 오비탈은 그 확률분포가 두 원자핵 사이의 좁은 구간에 밀집된 양상을 보이며, 결합에 참여하지 않는 오비탈의 경우는 분자 전체에서 고루 퍼져있는 확률분포를 보인다.
만일 어떤 사물이 가지고있는 원자핵들의 총 전하량보다 전자의 수가 많거나 적어지면 그 사물은 전하를 띄게 된다.
전자가 더 많을 경우는 음으로 대전되었다 하고, 전자가 더 적은 경우는 양으로 대전되었다 한다.
만일 전자의 갯수와 양성자의 갯수가 완전히 동일하다면 그 사물은 중성상태라고 한다.
사물을 수건 등으로 문지르면 마찰전기가 발생해 대전된다.
원자핵에 구속되어있지 않고 진공에서 자유롭게 움직이는 전자들은 자유전자라 하는데, 금속에 있는 전자들도 자유롭게 움직이기 때문에 자유전자라 불린다.
실제로 금속이나 일부 고체에 있는 전자들은 다른 상태의 전자들과 여러 물리화학적 성질은 같지만 유효질량은 다르다고 해서 준입자의 일종인 준전자로 간주하기도 한다.
자유전자들이 일정한 방향성을 가지고 움직이일 때 발생하는 전하 흐름을 전류라 하고, 전류가 발생할 때에는 상대론적 효과로 인해 자기장도 같이 생성된다.
전기와 자기는 상보적 관계여서 자기장의 변화가 전류를 만들어낼 수도 있는데, 둘 사이의 수학적 관계는 맥스웰 방정식으로 설명된다.
금속에 전압을 가했을 때 얼마나 전류가 잘 흐르는지에 대한 변수로 전기전도율이 있다.
구리나 금 등의 도체는 전기가 잘 통하지만 유리나 테플론 등의 부도체에서는 전기가 거의 통하지 않는 이유도 전도율에 차이가 있기 때문이다.
원자에 전자가 단단히 매여있는 부도체들은 유전체로 사용할 수도 있다.
대부분의 반도체들은 도체와 부도체 사이의 전도율을 가진다.
반면 금속은 띠구조를 가져서 전자들이 특정 원자의 구속에 영향을 받지 않아 마치 자유전자나 비편재화된 전자처럼 존재하기 때문에, 전기장을 걸어주면 마치 기체처럼 움직이는 현상을 관찰할 수 있다.
이를 페르미 기체라 한다.