현대의 원자모형
현대적 원자 모형이 나온 계기
현대적 원자모형이 나온 이유는 보어의 원자모형의 한계 때문입니다. 보어의 원자모형으로 설명이 가능한 원자는 딱 한 개. 바로 수소원자만 완벽하게 설명이 가능하죠. 하지만, 우리가 살고 있는 자연에 존재하는 원자는 92개인데, 설명이 가능한 원자가 1개라면 과연 여러분은 어떻게 생각하시나요??
다시 말해서 전자가 2개이상이 원자부터는 복잡하게 나타나는 선 스펙트럼을 설명할 수 없다는 것이죠.
가령 네온에서 선 스펙트럼은 수소보다 선의 수가 많고, 또 1개의 선을 정밀하게 관찰하면 여러 개의 선으로 이루어진 것을 알 수 있죠. 이는 같은 전자껍질이라도 전자가 가질 수 있는 에너지가 여러 개라는 것을 알려주게 됩니다. 그래서 보어의 원자모형으로 설명이 안되는 것이었죠.
현대적 원자 모형
현대적 원자 모형에서는 전자가 발견될 확률로 원자 모형을 이야기합니다. 전자는 입자의 성질과 파동의 성질을 가지고 있어서 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 확인할 수 없기 때문에 전자가 특정위치에서 발견될 확률을 가지고 이야기하죠. 이를 궤도함수 또는 오비탈이라고 합니다. 참고로 독일의 물리학자인 베르너 하이젠베르크가 발표한 불확실성 원리에 의하여 전자의 위치와 운동량을 동시에 확인할 수 없다는 것에서 가져왔어요.
오비탈
오비탈은 원자핵 주위에서 전자가 존재할 수 있는 공간을 확률 분포로 나타낸 것이예요.
그림에서 점이 없는 지역은 전자가 없는 것일까요? 아니에요? 발견활 확률이 적다는 것이지 없다는 것은 아니에요.
양자수
양자수란 오비탈들을 구분하기 위해서 에너지, 크기, 모양, 좌표축에서의 방향을 나타내는 요소들이 존재하는 데 이를 양자수라고 한다. 양자수에는 주 양자수(n), 방위(부) 양자수(l), 자기 양자수(ml), 스핀 자기 양자수(ms) 4가지가 있어요. (자기 양자수와 스핀 자기 양자수에서 l과 s는 아랫첨자이예요~~)
- 주 양자수(n) -
오비탈의 에너지 준위를 결정하는 양자수로, 주 양자수가 클수록 오비탈의 크기가 크고, 에너지가 높아집니다.
주 양자수의 값은 자연수만 가질 수 있으면, 보어 원자 모형에서 전자껍질에 해당이 됩니다.
| 주 양자수(n) | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 전자 껍질 | K | L | M | N |
- 방위 양자수 (l) -
방위 양자수 또는 부 양자수라고도 하죠. 오비탈의 모양을 결정하는 양자수로 오비탈의 모양은 s, p, d, f 등의 기호를 사용하여 나타내죠. 방위 양자수의 값은 0부터 시작을 하는데, 주 양자수(n)-1까지 가능합니다. 가령, 주 양자수가 1이면 방위 양자수는 0만 있는 것이고, 주 양자수가 2이면 방위 양자수는 0, 1이 됩니다.
| 주 양자수(n) | 1 | 2 | 3 | |||
| 방위 양자수(l) | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 |
| 오비탈 모양 | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d |
방위 양자수가 0이면 s오비탈, 1이면 p오비탈, 2이면 d오비탈, 3이면 f오비탈 모양입니다.
s 오비탈의 특징
1) s 오비탈은 공모양으로, 원자핵으로부터 거리가 같으면 방향에 관계없이 전자를 발견할 확률이 같아요. 그래서 방향성이 없다고 하죠.
2) 모든 전자껍질 1개씩 존재하며, 주 양자수에 따라 1s, 2s, 3s,......로 나타냅니다.
3) 주 양자수가 커질수록 오비탈의 크기가 커지고 에너지 준위가 높아져요.
p 오비탈의 특징
1) p 오비탈은 아령모양으로, 원자핵으로부터 거리와 방향에 따라 전자를 발견할 확률이 다르죠. 그래서 방향성이 있다고 합니다.
2) 주 양자수가 2 이상인 L 전자껍질부터 존재하며, 주 양자수에 따라 2p. 3p, 4p....로 나타냅니다.
3) 주 양자수가 커질수록 오비탈의 크기도 커지고 에너지 준위가 높아져요.
- 자기 양자수(ml) -
자기 양자수는 오비탈의 공간적인 방향을 결정하는 양자수이죠.
자기 양자수의 값은 방위 양자수에 따라 달라지는데, 방위 양자수가 2라면 자기 양자수는 -2, -1, 0, 1, 2로 (2l+1) 개 존재한다. 즉, 방위 양자수의 값이 l이라면 자기 양자수의 값은 -l,.... -2, -1, 0, 1, 2,....... l까지 갖는다는 것.
| 방위 양자수(l) | 0 | 1 |
| 자기 양자수(ml) | 0 | -1, 0, 1 |
| 오비탈의 수 | 1 | 3 |
p 오비탈 그림을 보면 x, y, z 축이 바로 자기 양자수라고 보시면 됩니다.
- 스핀 자기 양자수(ms) -
스핀 자기 양자수는 전자의 운동 방향에 따라 결정되는 양자수로, 전자의 스핀은 2가지 방향이 있으며, 한 방향을 +1/2, 반대 방향을 -1/2로 나타내죠. 단, 1개의 오비탈에는 같은 스핀을 갖는 전자가 들어갈 수 없기 때문에 서로 다른 스핀을 갖는 전자가 최대 2개까지만 들어갈 수 있습니다.
오비탈의 표현은 이렇게 합니다.
- 전자껍질에 따른 양자수와 오비탈의 관계 -
주 양자수가 1, 2, 3일 때 방위 양자수, 자기 양자수, 스핀 자기 양자수, 오비탈, 최대 수용 전자수를 정리하면 다음과 같다.
| 전자껍질 | K | L | M | |||
| 주 양자수(n) | 1 | 2 | 3 | |||
| 방위 양자수(l) | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 2 |
| 오비탈 | 1s | 2s | 2p | 3s | 3p | 3d |
| 자기 양자수(ml) | 0 | 0 | -1, 0, 1 | 0 | -1, 0, 1 | -2, -1, 0, 1, 2 |
| 오비탈 수(n^2) | 1 | 1 | 3 | 1 | 3 | 5 |
| 최대수용전자수(2n^2) | 2 | 8 | 18 | |||
오비탈의 에너지 준위
에너지 준위는 전자가 가지는 에너지의 값으로 수소와 다른 원자로 나눈다. 수소는 전자가 1개라서 원자핵과 전자 간의 인력에만 영향을 받지만, 다른 원자는 전자가 2개 이상으로 원자핵과 전자 사이의 인력뿐만 아니라 전자간 반발력도 작용하기 때문이다.
- 수소 원자의 에너지 준위 -
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- 다 전자 원자의 에너지 준위 -
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(에너지 준위 그림은 네이버 블로그에서 참조하였습니다.)
다전자 원자에서 에너지 준위를 계산하기 쉬운 방법은 (에너지 준위 =주 양자수 + 방위 양자수)로 계산으로 하여 숫자가 높은 값이 에너지가 높고, 만약 값이 같으면 주 양자수가 큰 것이 에너지 준위가 높다고 보면 돼요.
예를 들면, 2p와 3s의 에너지 준위는 둘 다 3인데, 주 양자수가 2p가 3s보다 낮기 때문에 에너지 준위는 3s가 크다고 보면 됩니다.
지금까지 현대적인 원자모형에 대한 포스팅이었습니다.
다음 시간에는 오비탈에 전자를 채우는 규칙에 대해서 올리도록 할게요^^
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