*아직 기초적인 화학에 대해 배우는 고등학생입니다. 잘못된 부분 지적 부탁드립니다.
0. 양자론
현대물리학에서는 '양자' 또는 '양자화'라는 말을 자주 볼 수 있다.
양자란 물리학에서 다루는 불연속적인 물리량을 통틀어 이르는 말로
에너지는 최소단위가 있어 1, 2, 3, 4 ... 는 있어도
1.5나 2.7과 같은 형태의 에너지량은 존재하지 않는다는 것이다.
이러한 양자는 파동과 입자의 성질을 동시에 지니고 있다.
1. 불확정성 원리
보어가 만든 수소 원자 모형은 인공위성이 지구 주변을 돌듯 전자가 원자핵 주변을 돌고있으며 관찰자가 전자의 위치와 속도를 알 수 있다고 했다. 그러나 독일의 하이젠베르크는 양자역학을 바탕으로 전자의 위치와 속력을 동시에 정확하게 측정할 수 없다는 불확정성 원리를 발표했는데, 이는 전자의 위치를 관측하기 위해 쏘여진 전자기파가 전자에 맞고 전자의 운동방향과 속도가 바뀌기 때문에 전자기파를 통해 얻은 전자의 위치와 운동상태에 대한 정보는 실제 현재 전자의 정보와 다르다는 원리이다.
이는 물체의 운동상태, 운동방향을 정확하게 기술해왔던 기존의 물리학(고전역학 + 상대성이론)의 대전제를 송두리째 뿌리뽑는 이론이었으며, 때문에 아인슈타인은 양자역학을 두고 신은 주사위놀이를 하지 않으신다는 유명한 말을 남겼다고 한다.
2. 오비탈
현대의 원자모형에 와서 등장한 개념으로서, 다양한 모양, 형태를 갖는다.
전자의 위치와 운동상태를 결정할 수 없다는 불확정성의 원리로 인해, 오비탈은 전자의 존재 확률을 3차원 좌표상에 점밀도 그림의 형태로 나타낸다.
이 그림은 가장 간단한 오비탈의 형태인 1s 오비탈을 나타낸 것으로
원자의 중심인 원자핵에서 멀어질수록 전자의 존재확률이 낮아지는것을 볼 수 있다.
3. 오비탈과 양자
오비탈은 고유의 에너지를 가지고 있는데, 에너지는 오비탈의 양자수에 따라 결정된다.
(1) 주양자수(n)
보어모형에서의 전자껍질에 해당하며, 주양자수가 커질수록 전자의 확률분포 구름이 핵으로부터 멀리 떨어지게 되어 오비탈이 갖는 에너지 또한 커지게 된다.
(2) 방위 양자수(l)
오비탈의 입체적 구조를 결정하는 양자수로서, 부양자수라고도 한다. 보어모형엔 없던 개념으로, 현대의 물리/화학자들에 의해서 도입된 요소이다. 주양자수가 n인 오비탈은 l=0, 1, 2 ....n-1의 방위양자수를 가질 수 있다.
s 오비탈의 대표적인 형태.
p 오비탈의 대표적인 형태. 축에 따라 3가지의 형태가 있다.
d 오비탈의 5가지 형태.
f 오비탈의 7가지 형태.
(3) 자기 양자수(ml)
오비탈의 방향을 결정하는 양자수.
위에서 본 s, p, d, f의 4가지의 오비탈들 중 공간에 대하여 완전대칭인 s오비탈을 제외한 p, d, f 오비탈은 자기양자수를 가진다.
자기양자수가 다른 오비탈들도 에너지 준위가 같지만, 강한 전기장이나 자기장에 놓이게 되면 에너지 준위가 달라지게 된다.
(4) 스핀 양자수(ms)
오비탈에 들어있는 전자의 스핀(전자가 자전하는 성질)의 방향에 따른 양자수.
실제로 전자가 자전하는 것은 아니고(전자는 공간상의 한 점에 불과하기 때문에 자전한다고 볼 수 없음), 전자마다 고유의 스핀이 전자의 성질로서 존재한다.
스핀 양자수에 관련된 실험으로서, 수소 원자 빔을 자석의 N극과 S극 사이로 쏘는 실험이 있다.
수소 원자를 자석 사이에 쏘게 되면, 전자의 스핀수에 따라 휘는 방향이 달라진다. 이는 곧 전자의 스핀이 자성을 발생시키는 요인이라고도 볼 수 있다.
4. 오비탈의 에너지 준위
보어 모형에서의 에너지 준위란 전자껍질수에 의해서만 결정되었으나, 오비탈에서의 에너지 준위는 주양자수와 방위양자수에 의해 결정된다.
방위양자수에 의해 오비탈의 에너지 준위가 변화는 이유는 전자간 반발력으로 인해 오비탈의 모양만으로도 에너지 준위가 바뀔수 있기 때문이다.
다원자 전자에서 오비탈의 에너지 준위는 n+l(주양자수와 방위양자수의 합)이 클수록 증가하나, 이 값이 같은 경우에는 주양자수가 큰 경우의 오비탈이 에너지가 더 높다고 할 수 있다.
5. 가리움 효과
수소를 제외한 다전자 원자에서 전자와 핵 사이의 인력이 전자 사이의 반발력으로 감소하는 것을 가리움 효과라고 한다.
또한 이렇게 가리움 효과로 줄어든 전자와 원자핵 사이의 인력을 유효 핵전하라고 한다.
참조 - 하이탑 화학1
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