전자의 에너지 준위

 

원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있다. 전자는 원자핵 주위에서 특정한 궤도를 돌며 운동한다. 과학자들이 스펙트럼을 통하여 알아낸 원자핵 주변의 전자 궤도가 어떤 방식으로 존재하는지 알아보자.

 

전자의 궤도

 

 

 

그림 II-`32와 같이 계단에서 굴린 공은 퍼텐셜 에너지가 큰 위쪽에서 퍼텐셜 에너지가 낮은 아래쪽으로 내려오게 된다. 이때 공은 어느 계단이든 놓여 있을 수 있으나 계단과 계단 사이에는 머물 수 없다. 보어는 원자핵 주위의 전자도 특정한 궤도에만 있을 수 있고 궤도와 궤도 사이에는 있을 수 없다는 원자 모형을 제시하였다.
보어는 전자가 원자핵 주위에 아무 곳이나 존재하지 않고 그림 II-`33과 같이 특정한 에너지를 가진 궤도에만 돌고 있다는 원자 모형을 제시하였다. 원자핵에서 가장 가까운 것부터 n=1, n=2, n=3, …… 인 궤도라 부르며, n의 값 1, 2, 3, ……`을 양자수라고 한다. 전자가 각 양자수와 관련된 에너지만을 가질 수 있다는 것을 두고 에너지가 양자화되었다라고 말한다. 양자화란 말은 무엇이 한 개, 두 개, 세 개, …… 로 셀 수 있도록 덩어리져 있다는 의미이다.

 

 

 

수소 원자의 경우 전자는 n=1인 에너지 준위에 있을 때 에너지가 가장 낮은 상태로 가장 안정하므로, 이 상태를 바닥 상태라고 한다. 바닥 상태에 있던 전자가 에너지를 흡수하면 에너지 준위가 높은 궤도로 이동하는데, 이것을 전이된다고 하며 이 상태를 들뜬 상태라고 한다. 들뜬 상태에 있는 전자는 불안정하므로 다시 에너지가 낮은 상태의 궤도로 전이되는데, 이때 에너지를 방출한다.

 

 

한 개의 원자가 여러 개의 전자를 가진 경우에는 주로 제일 바깥쪽의 전자가 전이할 때 그림 II-`34와 같이 에너지가 흡수되거나 방출된다. 원자의 제일 바깥쪽 전자들을 원자가 전자라고 한다. 전자가 전이될 때 흡수되거나 방출되는 광자 한 개의 에너지 E광자는 진동수 f에 비례한다.

 

 

가장 간단한 구조인 수소 원자의 경우를 살펴보면 수소 원자의 스펙트럼이 불연속적으로 나타나므로, 수소 원자의 에너지 준위가 불연속적임을 알 수 있다. 그림 II-35과 같이 수소 원자의 스펙트럼은 크게 자외선 영역(라이먼 계열), 가시광선 영역(발머 계열), 적외선 영역(파셴 계열)으로 형성된다. 수소 원자의 스펙트럼에서 자외선은 n=2, n=3,n=4, n=5에 있는 들뜬 상태의 전자가 n=1인 궤도로 전이할 때 방출되고, 가시광선은 들뜬 상태의 전자가 n=2인 궤도로 전이할 때 방출되며, 적외선은 들뜬 상태의 전자가n=3인 궤도로 전이할 때 방출된다.

 

 

 

* eV(전자볼트)
에너지의 크기를 나타내는 단위 중 하나이다. 정지한 전자 1개를 1 V의 전위차로 가속시켰을 때 전자가 갖게 되는 운동 에너지가1 eV이다.

 

출처 : 천재교육 물리1