보어의 원자모형

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러더퍼드의 원자 모형에 따르면 그림 Ⅱ-26과 같이 전자는 핵 주위를 원운동하고 있다.

 

 

 

그런데 전자기학 이론에 따르면 회전 운동을 하는 전자는 전자기파를 방출해야 한다. 전자가 이렇게 에너지를 방출하면 에너지를 잃어버리는 것이므로 그림 Ⅱ-27과 같이 전자의 궤도는 감소하게 되고, 결국 전자가 핵에 흡수됨에 따라 원자는 붕괴하게 된다. 그래서 러더퍼드 원자 모형은 원자의 안정성은 물론 기체 원자의 선 스펙트럼 현상도 설명할 수 없었다.

보어는 원자의 중심에 있는 원자핵을 중심으로 전자가 돌고 있으며, 전자는 특정 궤도에서 원운동한다는 원자 모형을 제안하였다. 이때 전자가 원운동하는 궤도 반지름은 아무 값이나 가질 수 있는 것이 아니라 특정한 값의 정수배로 나타내는 값만 가질 수 있다고 가정하였다.

 

 

즉 전자는 궤도 반지름이 원자핵에서 가까운 곳부터 n=1, 2, 3, ……의 정수로 나타나는 특정한 궤도에만 있을 수 있다. 이 정수 n을 양자수라고 한다. 전자가 각 양자수와 관련된 특정 궤도에만 있을 수 있기 때문에 전자는 양자수와 관련된 특정한 에너지 값만 갖게 된다. 이것을 에너지 양자화라고 한다.
에너지 준위란 그림 Ⅱ-28과 같이 가장 낮은 에너지 상태부터 단계적으로 나열한 에너지 값을 말하며, 양자수 n의 값에 따라 불연속적인 값을 가지게 된다. n=1인 경우에 가장 낮은 에너지를 갖고 이를 바닥상태라고 한다. n이 1보다 큰 경우를 들뜬상태라고 한다.

 

 

 

 

전자가 에너지 준위 사이로 이동하는 것을 전이라고 한다. 그림 Ⅱ-29의 (가)와 같이 바닥상태 E₁준위에 있던 전자가 에너지를 흡수하면 들뜬 상태 E₂ 준위로 전이되나 그림 (나)와 같이 들뜬상태에 있는 전자는 불안정하여 에너지가 낮은 상태로 다시 전이하게 된다.
이 때 에너지 차이에 해당하는 빛을 방출하게 된다.

일반적으로 에너지 준위 E_n에 있던 전자가 E_m으로 전이될 때 나오는 빛의 진동수 f는 다음 식으로 주어진다.

hf=E_n - E_m

 

이 모형에 의하면 원자가 방출하는 선 스펙트럼을 잘 설명할 수 있다.

 

 

 

 

 

이와 같이 그림 Ⅱ-`30은 수소 원자의 에너지 양자화로부터 수소 원자가 방출하는 선 스펙트럼 계열을 설명해주고 있다.

즉, 수소 원자 스펙트럼에서 나타나는 빛의 에너지는 두 전자 궤도의 에너지 준위 차이로 주어지며, 원자 내에서 전자는 허용된 에너지 준위 사이에서만 전이가 일어나므로 불연속적인 방출과 흡수 스펙트럼이 나타나는 것이라고 설명하였다.