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[12 주] 원자 구조 1 – 원자, 전자 궤도

<선수 학습 확인>

1. 연습 문제 풀이

2. 불확정성 원리1, 2

3. 불확정성 원리의 적용

<본 학습 개요 설명>

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Chapter 4. Atomic Structure(원자의 구조)

4.1 THE NUCLEAR ATOM (핵 원자)

4.2 ELECTRON ORBITS (전자 궤도)

4.3 ATOMIC SPECTRA (원자 스펙트럼)

4.4 THE BOHR ATOM (보어 원자)

4.5 ENERGY LEVELS AND SPECTRA (에너지 준위와 스펙트럼)

4.6 CORRESPONDENCE PRINCIPLE (대응 원리)

4.7 NUCLEAR MOTION (핵의 운동)

4.8 ATOMIC EXCITATION (원자 들뜸)

4.9 THE LASER (레이저)

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Chapter 4. Atomic Structure(원자의 구조)

4.1 THE NUCLEAR ATOM (핵 원자)

원자는 대부분이 빈 공간이다

- 원소; 원자로 구성; 19c 후반

- 1897년 전자 발견; - 전하, + 전하는?

<참고자료> 비전하 측정 실험과 밀리칸의 실험(출처; knu자료)

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(1) 1898년 톰슨의 원자 모형

- [그림 4.1] 참조

- 원자는 양의 전하를 띤 물질의 덩어리에 전자가 박혀 있다.

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(2) 1911년 Geigerd와 Marsden의 실험

- Rutherford의 제안; α 입자의 사용

- 장치; [그림 4.2]

- <예상> α 입자 직진 또는 1∘ 이하 굴절도 가능

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- <측정 결과> 대부분 직진, 일부 크게 산란, 뒷 방향 산란도 관측

(3) 원자의 유핵 모델

- α 입자의 질량; 전자 질량의 8000배 이상

- 실험 결과 설명 방법;

∘원자는 작은 핵을 갖는다.

∘핵은 양전하를 띠고, 원자의 거의 모든 질량을 차지한다.

∘전자는 떨어져 있다.

즉, 원자는 대부분이 빈 공간이다 - 대부분의 알파 입자 통과

∘알파 입자가 핵 근처에 접근 시 강한 전기장에 의해 크게 산란

∘전자의 영향은 거의 없다.

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* [그림 4.3] Rutherford의 원자 모형

(4) 알파 입자 산란 실험은 핵 전하 정보 제공; 여러 종류의

원자핵에 대한 정보

- 휘어짐 정도는 핵의 전하량에 의존; 같은 핵의 전하량은 같다.

- 핵의 전하량은 +e의 정수배로 증가

- 원자 번호(Z); 한 원소의 핵에 들어 잇는 단위 양전하의 수 = 양성자

의 수

- 모든 물체는 작은 전하를 띤 입자의 집합; 공간이 크다.

* [과학자] Rutherford(1871-1937); book 참조

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1. Rutherford Scattering Formula (러더퍼드 산란 공식)

- 공식 유도; 부록, 각 기호의 뜻; book 참조

- Geiger와 Marsden의 실험은 위 식의 예상과 일치.

즉, Rutherford는 “핵 발견”

- 단지 0.14 %의 알파 입자만이 1∘ 이상 산란

- [그림 4.4] 참조;

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2. Nuclear Dimension (핵의 크기)

- 알파 입자 최대 접근 거리; R

- 알파 입자 최 접근 시 KE(운동 에너지)가 PE(위치 에너지)로 전환;

KE = PE =

- R(Au) = 3.0 10-14 m, 즉 원자 반경의 1만분의 1

최근 자료 이 값의 1/5

* [읽기 자료] 중성자 별

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4.2 ELECTRON ORBITS (전자 궤도)

원자의 행성 모형과 이 모형이 실패한 까닭

(1) 전자 궤도가 역학적으로 안정할 조건 (a) 구심력 = 전기력

(b) 구속된 전자의 총 에너지는 - 값 이어야

E = KE + PE

= mv2/2 -e2/4πε∘r

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그러나 지금까지의 계산은 전자만의 에너지가 아니고 ‘전자와 핵’의

에너지이다.

* [예제 4.1] 풀기

(2) 고전 물리의 실패

- 원자의 안전성 설명 가능 ← 뉴턴의 운동 법칙을 적용한 지금까지의 분석

- 그러나 전자기 이론에 위배; 가속된 전자는 전자기파를 방출!!

→ 핵 주위를 도는 전자는 에너지를 잃고 핵에 흡수 되어야한다.

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- 그러나 원자는 안정되어 있다;

거시 세계의 물리 법칙 ≠ 미시 세계의 물리 법칙

- 미시 세계에서는 파동 입자의 이중성 고려해야

[참고] 러더퍼드의 분석은 타당한가?

고전적, 양자역학적 계산 → 러더퍼드 공식

알파 입자의 파장; λ = mv / h

= 5 10-15 m (금의 핵 반경 3 10-14 m의 1/6)

즉, 비고전적 접근도 옳을 수 있음을 의미!

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- <과제 및 차시학습 안내> -

1. 과제; 연습 문제 풀이 1 - 4

2. 차시 학습 ;

원자 구조 – 원자 스펙트럼

- 보어 원자