2.4: 전자 궤도 모델

개요

궤도는 전자가 존재할 가능성이 가장 높은 원자핵 밖의 영역입니다. 궤도는 다른 에너지 준위, 모양 및 3차원 방향으로 특정지어집니다.

원자 내에서 전자의 위치는 에너지 준위과 궤도 형태에 해당합니다.

전자의 위치는 가장 일반적으로 전자껍질(electron shell) 또는 주 에너지 준위에 의해 설명되며, 그 다음 각 껍질 내의 부껍질(subshell)에 의해, 마지막으로 부껍질 내에서 발견되는 개별 궤도에 의해 설명됩니다. 첫 번째 껍질은 핵에 가장 가깝고, 1s 궤도라고 불리는 한 개의 구형 궤도를 가진 부껍질 하나만 가지고 있으며 이 부껍질은 두 개의 전자를 수용할 수 있습니다. 다음 껍질은 총 8개의 전자를 수용하고 있습니다: 구형의 2s 궤도에 2개, 그리고 아령 모양의 2p 궤도 세 개에 각각 2개. 높은 에너지 준위에선 가장 바깥쪽 궤도(즉, d와 f 부껍질)는 좀 더 복잡한 모양을 취합니다. 총 10개의 전자가 5개의 d 궤도 안에 들어갈 수 있고 총 14개의 전자가 7개의 f 궤도 안에 들어갈 수 있습니다.

궤도 도표는 원자의 각 전자의 위치와 상대적 에너지 준위을 시각화하는 데 사용할 수 있습니다. 각 껍질 안에서 전자는 상승하는 에너지 준위을 가지고 있습니다. s 부껍질은 에너지의 양이 가장 낮습니다. p 부껍질 안의 전자는 다소 높은 에너지를 가지고 있으며, 그 다음이 d와 f 부껍질입니다.

보어 모델은 궤도의 개념을 도입했습니다

우리는 서로 다른 궤도에 있는 전자가 다른 에너지 준위을 가지고 있다는 것을 알아봤습니다. 그러면 우리는 전자가 각각 다른 양의 에너지를 갖고 있다는 것 이전에 전자가 에너지 자체를 갖고 있다는걸 어떻게 알 수 있을까요? 1913년 닐스 보어(Niels Bohr)는 전자가 수소원자 내부나 단일 전자를 가진 이온내부에서 궤도를 변경했을때 얼마만큼의 에너지를 얻거나 잃었는지 실험을 통해 알아낼 수 있었습니다. 보어는 이 실험 결과를 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherfor)의 연구에서 얻은 양전하로 이루어진 핵에 대한 사전 지식과 결합시켜 전자 궤도의 첫번째 모델을 개발했습니다.

전자가 에너지를 얻으면 전자는 흥분 상태로 들어가 더 높은 궤도로 뛰어오릅니다. 에너지는 열이나 빛의 형태로 전자에 추가 될 수 있으며 전자가 그 에너지를 빠르게 잃으면 전자는 높은 궤도에서 다시 떨어지고 광자라는 빛의 입자를 방출합니다. 이때 방출된 광자의 색상은 특정한 에너지량에 대응하기 때문에 분광기를 사용하면 에너지를 수량화 시킬 수 있습니다.

보어는 수소를 가열하여 껍질이라고도 불리는 주요 에너지 준위에 내포된 에너지를 알아낼 수 있었습니다. 추가 열 에너지는 전자가 첫 번째 에너지 준위에서 더 높은 준위로 뛰어오르게 만들었고 그런 다음 보어는 원자가 다시 냉각될 때 방출된 빛의 파장을 측정했습니다.

원자의 양자역학 모델

보어의 전자 궤도 모델은 전자가 고정된 원형 경로에서 핵을 공전한다고 가정했습니다. 그의 실험은 수소와 (수소와 비슷한) 하나의 전자로 이루어진 이온에는 성립했지만, 다른 원소의 전자 구성은 예측할 수 없었습니다. 아원자 입자에 물리적으로 영향을 미치는 추가 요인이 있어야 했습니다.

1926년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)는 보어의 에너지 준위 모델을 확장하고 오늘날에도 여전히 받아들여지는 원자 궤도 모델을 개발했습니다. 슈뢰딩거는 1920년대 초 당시 과학자에 의해 만들어진 전자의 물리적 운동에 관련된 다양한 발견들을 고려했습니다. 그의 양자역학 모델은 여러 전자를 가진 원소의 전자 구성을 정확하게 예측합니다. 슈뢰딩거의 모델에 있는 근본적인 변화은 전자가 핵의 양전하의 영향을 받는 파동 운동을 통해 이동한다는 가정입니다. 이를 따라 오늘날 우리가 말하는 궤도는 보어가 제안한 고정된 원형 경로보다는 전자를 발견할 가능성이 가장 높은 구름과 같은 영역을 칭합니다. 슈뢰딩거 모델의 또 다른 중요한 차이점은 보어의 에너지 준위를 부껍질과 궤도와 같은 작은 범주로 나눈 것입니다.

- [강사] 원자 핵 주위에 있는 전자의정확한 위치를 지정할 수 없습니다.오히려 서로 다른 에너지 준위에위치 할 확률이 가장 높은오비탈이라고하는 독특한 공간이 존재합니다.가장 낮은 에너지 준위에서,두 개의 전자는 구의형 s 오비탈 내에서 대칭 적으로 회전하면서핵 주변 반대켠에서 움직일 것으로 예상합니다.두 번째 에너지 준위에서전자는 서로 90도 각도로X, Y 및 Z 차원으로 배향 된 3 개의 동일한아령 모양으로 구성된p 오비탈로 추정합니다.그 후, 세 번째 에너지 준위에서,총 10 개의 전자를 나비 모양으로 유지할 수있는5가지 종류의 d 오비탈이 있습니다.전자는 가능한 가장 낮은 에너지 레벨을 추구하기 때문에,각 전자는에너지준위의 증가 순서로 특정한전자 구성 패턴을 나타낸다.예를 들어, 나트륨은 오비탈를 다음 순서로 채우는11 개의 전자로 구성되는데오비탈 1s의 2 개의 전자, 2s의 2 개의 전자,2p 의 6 개의 전자와, 3s의 마지막전자가 있다.