원자마다 에너지 준위와 그 간격이 다른 이유는?
안녕하세요
원자들마다 그 특유의 에너지 준위와
간격이 다르다고 하는데요
여기서 간격은 무엇을 의미하며, 왜 원자마다 다른건가요?
안녕하세요. 김두환 과학전문가입니다.
원자마다 다른 이유는 원자에 존재하는 원자핵의 극성이 다르기 때문입니다.
수소는 전자(-) 1개, 원자핵의 양성자(+) 1개 중성자 1개로 이루어져있으며, 헬륨은 전자(-)2개, 원자핵의 양성자(+) 2개 중성자 2개를 가지고 있습니다. 이렇듯 원자의 종류에 따라 원자핵의 +극이 다릅니다.
먼저, 전기력에 대해 이해하면 좋습니다. 전기력은 극성을 가진 물체끼리의 거리가 멀수록 약해지고, 극성이 커지면 전기력이 커집니다. 예를들어 수소원자 내에 있는 전자는 원자핵으로 부터 1의 크기의 전기력을 받는다고 치면, 헬륨 원자 내에 있는 전자는 원자핵으로부터 2의 크기의 전기력을 받는다고 볼 수 있습니다. 물론 엄밀하게는 헬륨내의 전자는 2개이므로, 다른 전자 1개의 전기력도 따져줘야합니다. 그래도 전자에 가해지는 전기력은 헬륨이 더 크다고 볼 수 있습니다. 즉 원자마다 전자에 가해지는 전기력이 다르죠.
원자의 에너지 준위는 전자가 위치할 수 있는 궤도에 의존됩니다.
보어의 모형이나 양자역학에 따르면 전자는 정상파를 만드는 궤도에 위치해야합니다. 여기서 정상파란 궤도의 둘레 길이가 파장의 정수배를 의미합니다. 그런데, 우리는 전자라는 물질을 다루고있어 파장이 왜나오냐 물음을 던질 수 있습니다. 이 파장은 물질을 물질파로 해석하기 때문입니다. 모든 물질은 입자성과 파동성을 가질 수 있으며, 이를 물질의 이중성이라고 합니다. 원자내에 존재하는 물질에 대해서는 크기가 굉장히 작아 파동성을 띱니다. 이러한 물질파를 드브로이 파로 해석할 수 있습니다. 질량이 크면 파장이 작아 파동성을 볼 수 없으며, 질량이 작은 물질에 대해서는 물질파의 파장이 길어지게 됩니다. 전자의 경우 질량이 매우작기 때문에 파동성을 볼 수 있습니다.
다시 돌아와 설명드리며 전자의 파장에 의해 안정적일 수 있는 궤도가 존재합니다. 전자라는 물질파의 파장의 정수배가 되는 궤도들이어야합니다. 그리고 이러한 궤도들은 불연속적으로 존재합니다(이는 계산에 의해, 그리고 직관적으로 파장이 길어지거나 작아질 경우 정상파를 만드는 궤도의 층이 달라 져야함). 이렇게 궤도들이 불연속적으로 위치하게 되면 전자가 위치할 수 있는 위치 역시 불연속적이란 이야기입니다. 이를 에너지 준위라고합니다.
원자핵에서 멀어질수록 에너지 준위가 높아진다고 볼 수 있습니다. 마치 지구의 높은 곳에서 물체를 떨어뜨리면 더 빨리 떨어지는 것처럼 에너지가 높은 상태이죠.
안녕하세요. 이준엽 과학전문가입니다.
원자들은 전자들이 에너지 준위라고 하는 특정한 에너지 상태에 존재합니다. 이 에너지 준위는 전자들이 원자 내의 특정 궤도나 에너지 준위에 위치하는 것을 의미합니다. 간격이란 이 에너지 준위들 사이의 에너지 차이를 의미합니다. 즉, 각 에너지 준위들 사이의 에너지 차이가 원자마다 다르다는 것을 말합니다.
이러한 에너지 준위와 에너지 간격은 원자의 구조와 전자의 배치에 따라 결정됩니다. 원자는 양자역학이라는 물리 이론에 따라서 설명되는데, 양자역학은 원자의 세부 구조와 전자의 운동을 설명하는 이론입니다. 원자 내의 전자들은 특정한 규칙에 따라 특정 에너지 준위에 위치하게 되며, 이러한 배치가 에너지 간격의 차이를 만들어냅니다.
따라서 원자마다 에너지 준위와 간격이 다른 것은 원자의 구조와 전자의 배치에 따른 결과입니다. 이러한 에너지 준위와 간격의 차이가 원자와 분자의 물리적, 화학적 특성을 결정하는 중요한 요소 중 하나이기도 합니다.
원자들의 에너지 준위 간격은 원자의 전자가 특정 에너지 준위와 다른 에너지 준위 사이를 이동할 때 필요한 에너지 차이를 의미합니다. 에너지 준위 간격은 원자의 전자가 특정 에너지 준위에 있을 때 다른 에너지 준위로 이동하거나 전자를 흡수하거나 방출할 때의 에너지 차이를 측정합니다.
원자들마다 에너지 준위 간격이 다른 이유는 주로 원자의 전자 배치와 원자핵의 구성에 기인합니다. 원자의 전자는 양성 전하를 가진 원자핵 주위를 공전하고 있으며, 각각의 에너지 준위에 있을 때 특정한 에너지를 가집니다.
에너지 준위는 원자의 전자가 주어진 에너지 상태일 때 가질 수 있는 정의된 에너지 값입니다. 이러한 에너지 준위는 양자역학적인 원리에 의해 결정됩니다. 원자의 전자는 에너지 준위 간에 이동하면서 에너지를 흡수하거나 방출할 수 있으며, 이 과정으로 빛이 방출되거나 흡수되는 등의 현상이 일어납니다.
원자의 전자 배치와 원자핵의 구성은 원자의 특성을 결정하는 중요한 요소이며, 따라서 원자들마다 에너지 준위 간격이 서로 다르게 나타납니다. 원자 번호(원자핵의 양성 전하를 가진 입자의 개수)가 다르거나 전자의 배치가 다르면 에너지 준위 간격이 다른 이유가 될 수 있습니다.
양자역학의 원리와 원자의 구조에 따라서 원자들의 에너지 준위 간격은 정해지며, 이러한 에너지 준위 간격의 차이로 인해 원자들은 고유한 스펙트럼을 가지게 됩니다.
