전기 분해 분야뿐만 아니라 기체 분야의 연구에도 큰 발전이 있었다. 1700년대와 1800년대 초반 물리학자들은 전기가 유리관을 통과해 지나갈 수 있도록 전극을 설치한 유리관의 압력을 줄이기 위해 게리케(Otto von Guericke, 1602~1686)가 1690년에 발명한 진공 펌프를 사용했다. 1838년에 패러데이는 관을 통해 전류가 흐를 때 음극에서 시작되어 양극에서 끝나는 아크 형태의 이상한 불빛을 관측했다.

사진과 같은 현대적 진공 챔버가 원자, 분자, 원자핵 그리고 전자의 연구에 이용되고 있다. 게리케가 진공에서 전기를 연구하기 위해 1690년에 진공 펌프를 발명한 이래 진공은 음극선이나 전자의 연구에 사용되었다.

ⓒ iStock.com | 저작권자의 허가 없이 사용할 수 없습니다.

가이슬러(Heinrich Geissler, 1815~1879)는 관 안의 압력을 대기압의 약 1000분의 1로 줄이면서 오늘날 사용되는 네온램프와 같이 관에 불빛이 가득 차 있는 것을 발견했다. 1870년대에는 크룩스(William Crookes, 1832~1919)가 관 안의 압력을 대기압의 100만분의 1까지 낮추었다. 기압이 낮아질수록 빛은 점점 더 희미해졌다. 대신 양극 가까이 있는 유리가 빛나기 시작했다. 관 속에 흐름을 방해할 공기가 없어지자 어떤 흐름이 음극에서 나와 양극으로 흘러갔다. 양극에서 아주 빨라진 이 흐름이 유리에 부딪혀 유리가 빛을 내게 된 것이다. 황화아연으로 유리관 표면을 코팅하자 빛은 더 밝게 빛났다. 이 눈에 보이지 않는 신기한 흐름은 직선으로 흐르기 때문에 유리관 안에 금속 물체를 놓으면 양극에 선명한 그림자를 만든다는 것도 확인할 수 있었다. 이 흐름이 음극에서 나왔기 때문에 ‘음극선’, 이 관은 음극선관이라고 불렀다.

톰슨(Joseph John Thomson, 1856~1940)은 크룩스관을 이용하여 음극선의 성질을 보여주는 세 가지 실험을 했다. 첫 번째 실험에서는 전하를 감지할 수 있는 검전기를 음극선이 향하는 방향에 설치했다. 톰슨은 자석을 사용해 음극선의 경로를 휘게 했다. 유리관 표면이 전자(전기원자)와 충돌하면 빛을 내는 형광 물질을 발라 음극선이 어디로 향하는지 알 수 있도록 했다. 그 결과, 톰슨은 음극선이 검전기 방향을 향할 때만 음전하가 검출된다는 것을 발견했다. 이 실험을 통해 톰슨은 음극선이 음전하를 띤 입자들의 흐름이라는 것을 보여주었다.

톰슨은 두 번째 실험에서 가장 높은 상태의 진공을 만들어낼 수 있는 관을 이용하여 전기장이 음극선에 미치는 영향에 대해 조사했다. 음극선관에 나란히 금속판을 설치하고 이 판에 전지를 연결하여 전기장을 걸어주자 음극선이 양극판 쪽으로 휘어졌다.

1897년에 실행된 톰슨의 세 번째 실험은 가장 중요한 실험이었다. 톰슨은 자기장에 의한 편향과 전기장에 의한 편향을 결합했다. 이렇게 함으로써 질량 대 입자가 가진 전하의 비율을 계산할 수 있었다. 이 실험을 통해 톰슨은 음극선을 이루는 입자의 질량과 전하의 비율이 수소 이온의 질량과 전하의 비율보다 1800배 작다는 사실을 발견했다. 이것은 이 입자가 매우 가볍거나 아주 큰 전하를 가지고 있다는 것을 뜻했다. 톰슨은 후에 이 입자들이 음극선에 사용된 금속의 종류나 음극의 온도에 관계없이 항상 똑같은 성질을 가진다는 것을 발견했다. 이 연구로 톰슨은 1906년에 노벨상을 받았다.

미국의 물리학자 밀리컨(Robert Andrews Millikan, 1868~1953)은 1909년에 전자의 전하를 측정했다. 밀리컨이 전자의 전하를 측정하는 실험을 하기 전에 일부 물리학자들은 톰슨이 실험을 통해 얻은 전자의 질량과 전하량의 비율은 많은 전자들의 평균값이며 개개의 전자들은 다양한 크기의 질량과 전하량을 가질 수 있다고 주장하기도 했다. 하지만 밀리컨은 모든 전자들이 같은 전하량을 가지고 있으며, 따라서 같은 질량을 가지고 있다는 사실을 보여주었다.