Quiz-4 천재 과학자인 보어의 원자모형은 무엇이 틀린 것일까?

보어가 원자모형을 설명하기 위해 다룬 것은 가장 기본적인 원자인 수소원자입니다. 그래서 보어의 원자모형도 수소원자를 매우 잘 설명할 수 있었습니다. 하지만 전자가 2개 이상인 원자는 설명하지 못한다는 한계가 있습니다. 과연 보어의 원자모형은 무엇이 틀린 것일까요?

원자들은 크게 두 가지 종류로 볼 수 있습니다. 하나는 수소꼴 원자Hydrogenic atom인데 주로 전자가 한개인 수소원자나 수소원자는 아니라도 2He+,3Li2+, 등등의 이온이 있습니다. 그리고 다른 하나는 다전자 원자Polyelectronic atom인데 Helium 부터의 모든 원자가 여기에 포함되지요.Hydorgenic atom에서는 atomic nucleus 와 electron과의 interaction만 고려하면 되었습니다. 하지만 polyelectronic atom 에서는 electron이 여러 개가 있기 때문에 각 electron들의 반발이나 파동성electron wave도 생각해 주어야 합니다.
보어의 원자모형은 천재적인 아이디어였습니다. 하지만 바로 이 문제 때문에 새로운 원자모형New atomic model이 제기 된 것입니다. 바로 Orbital이론 이지요. 궤도함수orbital function 라고도 합니다.
보어의 원자모형에서는 electron이 존재할 수 있는 공간과 그렇지 않은 공간이 뚜렷하게 구분되었습니다. 하지만 현대적 모형에서는 그 경계가 모호하지요. 예를 들면 electron shell에서 첫 번째인 K껍질을 보면 하나의 궤도 orbit만이 존재 하는 것 같지만 사실 그것도 더 자세히 보면 여러개의 orbit으로 나뉘는 것입니다. 그것을 부껍질subshell 이라고 합니다. Orbital은 바로 이 subshell을 의미하는 것입니다. 그리고 그 subshell도 여러 종류가 있습니다. s, p, d, f 등등으로 나누지요. 조금 더 들어가 보지요
electron shell은 K, L, M, N 등이 있습니다. 각각의 껍질에 번호를 매겨보면
K=1
L=2
M=3
.
.
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여기서 번호가 n인 껍질에는 electron이 2n^2 만큼 들어갈 수 있습니다. 그래서 K껍질을 보면 1번이니깐
2 x 1^2 = 2 가 됩니다. 즉 K 껍질에 들어 갈 수 있는  electrons는 2개 라는 뜻이지요.
L 껍질의 경우에는 2번이니깐 2 x 2^2 = 8 이니깐 electrons이 8개가 들어갈 수 있겠네요. 이어서 M껍질은 3번이니깐 2 x 3^2= 18입니다. electrons가 18개가 들어 갑니다. N껍질까지 해보죠. N껍질은 4번이니깐 2 x 4^2 = 32 즉 electrons이 32개가 들어간다는 것입니다. 간단하죠?
그런데 각 electron shell에는 subshell이 있습니다. Subshell은 s, p, d, f 등으로 나타낸다고 위에서 말씀드렸지요. 이번에는 각 shell에 subshell이 어떻게 배치되는지 살펴보겠습니다.
K=1=s
L=2=s, p
M=3=s, p, d
각 shell의 번호가 늘어날수록 subshell도 늘어나지요. 그런데 같은 S subshell 이라도 K껍질의 s와 L껍질의 s는 그 크기가 다릅니다. K껍질보다는 L껍질일 때 atom의 반지름이 크다는 것을 생각해 보면 당연한 것이지요. 그리고 S subshell이라고 하면 어떤 껍질의 subshell인지 헷갈리므로 번호를 매겨 구분할 수 있도록 합니다.
K = 1 = 1s
L = 2 = 2s, 2p
M = 3 = 3s, 3p, 3d

헷갈리시나요? 잘 이해가 안간다면 그건 분명히 저의 설명이 부족하기 때문일 것입니다. 그리고 글로써 설명하기 어려운 부분도 있구요. 나중에 전강때 발표를 하던지 아니면 소장님이 설명해 주시던지 해야 될 것 같습니다.