원자 궤도 준위가 띄엄띄엄 존재하는 이유를 설명해 보세요.
관련자료: 러더퍼드의 원자 모형 - 원자핵의 발견
전자 궤도의 행성 모형
러더퍼드(Rutherford)가 실험하는 시기에 화학자들은 분광기를 이용하여 화학성분을 분석했고, 물리학자들은 복잡한 스펙트럼 선에서 어떠한 질서를 찾으려고 노력하고 있었습니다.
가벼운 원소인 수소는 다른 원소에 비해 매우 질서 정연한 스펙트럼을 나타냅니다.
적색 영역에 선이 한 개, 파란색 영역에 선이 한 개, 보라색 영역에 몇개의 선이 있고 자외선 영역에는 선이 많은 것이 수소원자의 스펙트럼입니다.
스위스의 교사였던 Balmer는 이 스펙트럼 선의 위치를 간단한 수학적 공식으로 나타내었지만 그 자신도 이 공식이 왜 잘 맞는가를 이해하지 못했습니다. 이 공식을 이용하면 아직 발견하지 못한 선까지 예측할 수 있었습니다.
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 1931년 보어(Bohr)는 러더퍼드의 원자핵을 사용해서 원자의 행성모형을 만들었습니다. 보어는 전자 에너지의 상태가 전자 궤도의 반지름에 따른다고 생각하였습니다. 그는 수소 원자의 에너지 상태를 계산할 수 있었고, 또한 그것이 원궤도에 해당하는 것도 보였습니다. (Eyewitness Encyclopedia of Science - Dorling kindersley Multimedia) |
| 보어의 고전물리의 개념에서 보면 한 궤도에서 가속된 전자는 빛을 방출합니다. 이 때 잃어버린 에너지 때문에 궤도 속력이 줄어서 전자가 핵에 나선형으로 충돌하게 되어 있습니다. 그러나 이러한 현상은 일어나지 않습니다. 왜 일까요? (Conceptual physics 7th Edition - Paul G. Hewitt) |
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전자가 띄엄띄엄한 에너지준위를 가지는 이유
드브로이(de Broglie)는 1924년에 물질파의 개념을 소개했습니다. 모든 입자는 자신의 운동량에 반비례하는 파장을 가진 파동이라는 가설을 제창했습니다. 물질이 곧 파장이라는 이야기 입니다.
물질파는 다른 종류의 파동과 똑같이 행동합니다. 반사되고, 굴절되고 또한 회절되며 간섭현상을 보여줍니다. 물질파의 간섭으로부터 드브로이는 보어의 궤도는 전자파동의 정상파로부터 자연적으로 도출된다는 것을 보였습니다. 보어의 전자 궤도는 전자파동의 파장이 원궤도 둘레의 정수배와 같을 때 존재합니다. 이러한 방법으로 계속적으로 보강간섭을 일으킵니다.
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궤도전자가 정상파를 만들 때는 원둘레의 길이가 전자파동 파장의 정수배인 경우입니다.(왼쪽) 파동이 정수배의 파장으로 원둘레를 완전히 둘러쌓지 못하면 소멸간섭을 일으킵니다.(오른쪽) |
원자의 전자궤도는 띄엄띄엄한 반지름을 가지고 있으며, 그 이유는 궤도 원둘레가 전자파동의 파장의 정수배로 주어지기 때문입니다. 원소에 따라 전자파동의 파장이 다르고 궤도도 다릅니다. 위 그림은 단순화하여 표현한 것입니다.
(Conceptual physics 7th Edition - Paul G. Hewitt)
관련자료: 원자 모델에서 일어나는 빛의 흡수와 방출