4.3 Atomic Spectra (원자 스펙트럼)

[13 주] 원자 구조 2 – 원자 스펙트럼, 보어 원자

<선수 학습 확인>

1. 연습 문제 풀이

2. 핵 원자

3. 전자 궤도

<본 학습 개요 설명>

4.3 Atomic Spectra (원자 스펙트럼)

각각의 원소는 특정 선스펙트럼을 나타낸다.

- 원자에 관련되어 고전 물리가 설명 못하는 것;

원자의 안정성, 선스펙트럼의 존재

(1) 연속 스펙트럼

- 온도에 따른 복사파 - 태양, 전등

- 여러 원자의 전체적 행동의 결과

(2) 진공 방전

- [그림 4.7] 분광기와 선스펙트럼

-

[그림 4.8] 수소, 헬륨, 수은의 (방출) 선스펙트럼

(3) 흡수 스펙트럼

- 방출 스펙트럼과 흡수 스펙트럼;

-

[그림 4.9] 흡수 스펙트럼과 방출 스펙트럼의 일치

(4) 스펙트럼 분석결과;

- 원소 명

- 물리적 상태; 온도 압력, 전자기장, 운동 등 - 천문학에서 이용 등

1. Spectral series (분광 계열)

(1) 1885년 Balmer 계열 발견

-

[그림 4.10] 수소 원자의 발머 계열 스펙트럼; 가시광선 영역

- 공식;

- Hα 는 n = 3, Hβ 는 n =4, ...에 해당

(2) 자외선 영역 스펙트럼 계열; Lyman series

(3) 적외선 영역 스펙트럼 계열;

Paschen, Bracket, Pfund series

(4) 수소 원자의 전체 스펙트럼 계열; [그림 4.11]

⟶ 원자 구조 암시

4.4 The Bohr Atom (보어 원자)

원자 속에서 전자 파동

- 전자 궤도; 고전 물리로 설명 불가 → 양자 개념 이용?

- 1913년 Bohr model 제시; 10년 후 발표된 드브로이파 개념과 일치

(1) 수소 원자에서 핵 주위를 돌고 있는 전자의 파동성

- 전자의 드브로이 파장;

- 전자의 궤도 반지름 r에 5.3

 10

λ = 33

 10

 10

와 정확히 일치한다.

- 즉, 수소 원자의 전자 궤도는 양끝에서 자신이 서로 이어진 완전한 한 파장의 전자파에 해당한다!! [그림 4.12]

- 줄로 된 원형 고리의 진동을 생각하면, 그 줄에서 파의 파장의 정수 배 는 항상 원둘레 길이와 일치하고, 서로 연결된다. 줄이 완전한 탄성체라면 계속 진동할 것이다.

- [그림 4.14]처럼 고리의

원주 길이가 파장의 정수배가 아니면, 상쇄

간섭을 일으켜 진동은 점점 사라질 것

(2) 수소 원자 내 전자파의 행동;

원형고리에서의 진동과 같이 생각하면

- 전자는 그의 궤도가 드브로이 파장의 정수배에 해당하는 경우에만 핵 주위를 돌 수 있다.

→ 전자의 입자성, 파동성 의미, 동시 관측 불가, 양자역학적 이론 필요

(3) 각 궤도는 양자번호 n으로 특성화

[궤도 안정화 조건] nλ = 2πrn

양자수(quantum number) n = 1, 2, 3....

- 보어 원자의 궤도 반경;

(4) Bohr 반지름; 가장 안쪽 짧은 궤도의 반지름

a₀ = r₁ = 5.292

 10

* [과학자] Bohr; book 참조

1. 원자의 구조

이 지구상에 있는 온갖 생물 또는 무생물을 포함한 모든 물질은 원자(原子)라고 하는 아 주 작은 알맹이 입자(粒子)가 모여 형성되어 있습니다.

자연적으로 존재하는 원자의 종류로는 92 가지이며, 원자번호가 1인 수소 원자로부터 원자번호가 92인 우라늄 원자까지 92종류의 원자가 여러 가지 모양으로 결합하여 지구 상의 온갖 물건이나 물질을 만들고 있습니 다.

그런데 자연적으로 존재하는 92가지 원자 이외에도 십여 가지의 원자가 인공적으로 만들어졌습니다. 여러분들이 흔히 들어본 플 루토늄도 핵반응에 의해 인공적으로 만들어 진 원자입니다.

    원자의 구조

오늘날 알려진 원자의 구조가 밝혀지기 시작한 것은 19세기 말경부터입니다. 많은 과학 자들은 19세기말 경부터 원자의 구조에 대하여 본격적인 연구를 하였습니다. 그러는 가 운데 영국의 “러더포드(1871～1937)”가 실험에 의하여 원자의 모형을 발견하였습니다.

그가 발견한 원자의 모형은 태양을 중심으로 지구나 화성 같은 행성이 그 주변을 돌고 있는 작은 우주와 같다는 것이었습니다. “러더포드”의 이와 같은 원자모형의 발견에 힘입 어 20세기에 들어와서 많은 과학자들은 원자는 다시 몇 가지의 입자로 구성되어 있다는 확신을 갖게 되었습니다. 그래서 연구 노력을 거듭한 결과 오늘과 같은 원자 구조를 알게 되었습니다.

즉, 원자는 어떤 것이든 간에 그 한가운데 태양에 해당되는 원자핵(原子核)이 있고 그 주변을 돌고 있는 행성에 해당되는 전자(電子)들이 돌고 있다는 것입니다. 그런데 원자핵 과 그 주변을 돌고 있는 전자의 궤도 안쪽은 아무 것도 없는 텅 비어 있는 공간이라고 합니다. 그러면 원자핵과 전자 사이가 텅 빈 공간으로 되었다면 다른 이물질이 그 사이를 자유롭게 통과할 수 있지 않을까 하는 의문도 생기겠지만 그렇게는 안됩니다.

그 이유는 음전기(-)를 띠고 있는 전자는 원자의 바깥 주변을 굉장히 빠른 초스피드로 회전하고 있을 뿐 아니라 여기에 양전기(+)를 띤 원자핵의 전기적인 작용도 있기 때문에 전자와 원자핵 사이를 다른 물질이 통과할 수 없게 되는 것입니다 (고등학교에서는 전자 기력의 반발 작용 때문이라고 배웁니다). 다시 말하면 원자의 속은 텅 비어 있는 공간이 지만 그 바깥쪽은 딱딱한 껍질을 씌워 둔 것과 같은 상태입니다.

<참고자료> 읽을거리

2. 원자핵

원자핵은 다시 양성자(陽性子)와 중성자(中性子)라고 하는 작은 입자로 구성되어 있습니 다. 양성자는 앞에서 말한대로 전기를 갖고 있으나 중성자는 전기를 띠지 않은 문자 그대 로 중성이므로 원자핵 자체가 (+)전기를 띠고 있다는 것은 사실은 양성자가 띠고 있는 전 기인 것입니다. 그런데 원자의 종류가 구별되는 것은 원자핵에 있는 양성자의 수로 구별 되는 것입니다.

3. 동위원소

원자의종류,즉 원소를구분하기위해서는원자번호(Atomic Number;양성자의 수; Z)와 질량 수(Atomic Mass Number;양성자 수와 중성자 수의 합;A)를 사용합니다. 원자번호가 같고 질량수가 다른 원소들을 동위원소(Isotope)라 하는데, 이들은 화학적 성질은 같으나 핵적 성질은 서로 다릅니다. 따라서 같은 종류의 원자번호를 가지고 있다고 하여도 이를 구분 하여야 합니다. 대표적인 핵연료 물질인 우라늄은 원자번호가 92이며, 3가지 종류의 동위 원소들(238U, 235U, 234U)이 자연계에 존재하고, 인공적으로 몇 종류가 더 만들어질 수 있습니다.

- <과제 및 차시학습 안내> -

1. 과제; 연습 문제 풀이 5 - 13

2. 차시 학습 ;

원자 구조 – 에너지 준위와 스펙트럼

- 대응 원리

- 핵의 운동