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선생님 편지

 

케빈과 함께 하는 양자역학 이야기-15(보어의 원자모형)

리더퍼드의 원자모형에서는 전자가 원자핵 주위를 원운동을 합니다. 그런데 이때 원운동을 하면 전자기파를 방출하면서 그 속도가 점점 줄어들지요. 그러다가 결국에는 원자핵과 충돌을 해야 합니다. 그리고 점점 줄어들면 전자의 에너지가 서서히 줄어드니깐 에너지를 방출하면서 보여지는 스펙트럼 역시 연속적으로 나타나야 합니다. 하지만 수소원자의 불연속적인 스펙트럼은 연속적인 것이 아니라는 것을 보여주지요.


보어는 이러한 의문을 아주 간단히 해결합니다. 바로 계단을 생각하시면 됩니다. 만일 계단이 없이 공중에 사람이 떠 있다면 그 사람은 바닥으로 추락을 할 것입니다. 하지만 아무리 높아도 계단위에 있다면 절대 떨어질 이유가 없습니다. 보어는 이처럼 계단식으로 된 어떤 궤도위에 전자가 있다고 본 것입니다. 그리고 계단은 한 층만 있는 것이 아니라 여러층이 존재합니다. 예를 들어 가위바위보 게임을 해서 이기는 사람이 한 칸씩 위로 올라가는 게임을 한다고 치면 많이 이긴 사람은 가장 높은 곳으로 올라가 있을테고 가장 많이 진 사람은 첫 번째 층에서 올라가지 못하고 있을 것입니다. 마찬가지로 에너지가 낮은 전자는 가장 낮은 궤도에 있는 것이고 에너지가 큰 전자는 보다 높은 궤도에 있는 것입니다. 그래서 높은 궤도에서 낮은 궤도로 내려올 때에는 가지고 있는 에너지를 다 버리고 낮은 궤도로 내려오는 것입니다. 1층에는 1층에 어울리는 에너지만을 요구하고 2층에는 2층에 어울리는 에너지를 그리고 10층에는 10층에 어울리는 에너지만을 가져야 하는 것이지요. 마찬가지로 1층에서 2층으로 올라가려면 2층에 어울리는 에너지를 얻어야만 올라갈 수가 있는 것입니다. 그리고 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 방출하는 에너지로 스펙트럼이 만들어지는 것입니다. 리더퍼드 원자모형이 가지고 있던 문제점을 완벽히 해결하는 것이 바로 보어의 원자모형이었습니다.
정리하면,
전자는 특정한 에너지 준위의 궤도에서만 원자핵 주위를 원운동 한다.
전자는 원궤도에서 운동 할 때 에너지를 흡수하거나 방출하지 않으며, 하나의 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로 이동 할 때에만 그 에너지 준위의 차이만큼 에너지의 방출이나 흡수가 일어난다.
입니다.

하지만 이러한 보어의 원자모형도 문제점이 있었습니다.
그것이 뭐냐 하면 일단은 보어의 원자모형은 수소원자의 선스펙트럼은 잘 설명을 했지만 전자가 2개 이상인 다른 원자의 스펙트럼은 설명 할 수가 없었습니다. 스펙트럼을 자세히 보면 또 다시 몇 개의 선으로 구분되는 것을 볼 수 있습니다. 하지만 보어의 원자모형으로는 이것을 설명 할 수가 없었습니다. 더 큰 문제는 지금까지 원자핵의 주위를 전자가 돌고 있다고 생각했는데 그게 아니라는 것이죠. 양자역학이 발전하면서 전자가 실제로 원운동을 하지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 그러므로 여러분은 지금까지 거짓말을 공부하고 계셨던 것입니다^-^*

그렇다면 현대의 양자역학에서 말하는 원자 모형은 어떤 것일까요?
지금부터 조금(아니 아주 많이~~~) 까다로워 집니다.

기대하세요..

-오전 시간 다 날라갔넹.....ㅠ_ㅜ;;-