전자의 개요

모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자의 결합으로 되어 있으며, 이들 원자는 양전하를 가진 원자핵 (atomic nucleus)과 음전하를 가진 전자 (electron)라는 작은 입자로 구성되어 있다.

 

 

 

전자의 개요

원자구조

모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자의 결합으로 되어 있으며, 이들 원자는 양전하를 가진 원자핵 (atomic nucleus)과 음전하를 가진 전자 (electron)라는 작은 입자로 구성되어 있다. 원자핵의 구조나 원자핵을 둘러싸고 있는 전자의 수에 따라 서로 다른 원자가 된다.

다음 그림 1은 원자핵을 중심으로 1개의 전자가 자전하면서 돌고 있는 가장 간단한 수소 원자의 구조이다.

 

<그림 1> 수소 원자의 구조

 

 

원자핵

원자핵은 단지 양전하로만 뭉쳐 있는 것이 아니고, +e [C]의 양전하를 가진 양성자 (proton)와 이것과 거의 같은 질량을 가지지만, 전하는 가지고 있지 않은 중성자 (neutron)가 강한 핵력으로 결합된 구조로 되어 있다. 양성자나 중성자는 질량이 전자의 약 1,840배나 되는 입자이며, 이들을 한데 합하여 핵자 (nucleon)라 한다. 그러므로 원자의 질량은, 전자의 질량을 무시하고 거의 핵자의 질량만이라고 생각해도 된다.

원자핵의 양성자 수 Z는, 핵의 양전하 수 (e를 단위로 하여)를 나타내고 동시에 원자 번호를 나타낸다. 원소의 종류에 따라서 양성자의 수 Z는 일정하나, 중성자의 수는 Z에 가까운 값 중에서 몇 가지의 값을 가지는 경우가 있다. 이를테면, 산소(O)의 원자 번호는 Z=8 (양성자 8개)이나 중성자 수는 8,9,10개 중 어느 하나를 가진 원자들이 있다. 이와 같이, 같은 원소이지만 원자 1개씩 비교하면 양성자 수는 같으나, 핵자의 총수로 나타내는 질량수가 다른 원소들이 있는데, 이들을 동위 원소 (isotope)라 한다.

 

 

가전자 vs. 자유 전자

구리(Cu)의 원자번호는 29이다. 이는 구리원자가 29개의 전자를 가지고 있고 동시에 원자핵 안에 29개의 양자를 가지고 있다는 것을 의미한다. 전자는 ( - ) 전하를 가지고 있고 양자는 ( + )전하를 가지고 있으며, 양자와 전자 하나가 가지고 있는 전하량은 서로 같기 때문에 구리 원자는 전기적으로 중성이다.

29개의 전자는 하나의 궤도(전자각, electron shell)에 있는 것이 아니고 여러 개의 전자각에 나뉘어 있다. 이때 하나의 전자각에 들어갈 수 있는 전자수는 2n²개 이다. 즉 1각(K각)에는 2 × 1² = 2개, 2각(L각)에는 2 × 2² = 8개, 3각(M각)에는 2 × 3² = 18개의 전자가 들어가고, 나머지 1개의 전자는 외롭게 최외각(N각)에 홀로 있다.

이와 같이 최외각에 있는 전자를 가전자라고 한다. 가전자라고 해서 “가짜 전자”라는 뜻이 아니라 원자의 가치를 결정하는 전자, 즉 원자가전자(原子價電子)를 줄여서 가전자라고 하는 것이다. 모든 원소의 화학적 특성은 원자가전자에 의해 결정된다.

 

<그림 2> 구리의 원자 모형

 

전류는 전하가 이동하는 것이다. 전하가 이동한다기 보다는 전하를 가지고 있는 전자가 이동한다고 말하는 것이 더 정확한 표현이다.

구리원자에 29개의 전자가 있다고 해서 전류가 흐를 때 모든 전자가 이동하는 것이 아니라 최외각에 있는 가전자 하나만 이동한다.  이는 최외각 궤도 전자는 원자핵으로부터의 구속력이 가장 약해, 외부로부터 에너지가 주어지면 원자의 구속으로부터 이탈하여 자유로운 운동을 할 수 있는 자유 전자 (free electron)로 된다.

따라서 자유전자는 구리원자 1개에 하나씩이다.

 

 

여기(勵氣) vs. 전리(電離)

원자 내의 에너지 궤도 전자가 빛이나 열 등의 외부 에너지를 받아, 이에 따른 전자의 충돌 등으로 인해 에너지가 증가되어 보다 높은 준위를 가지게 될 때, 이를 여기(excitation)되었다고 한다.

이 때, 더욱 강한 에너지를 받아서 원자 내의 궤도 전자가 자유 전자로 될 때, 이것을 전리 또는 이온화 (ionization)라고 한다. 그 결과 중성이었던 원자는 양전하를 띤 이온으로 되고 생성된 전자와 양이온을 "이온쌍(ion pair)"이라 부른다.

<그림 3> 여기와 전리

 

 

전자기파의 방사

여기된 궤도 전자는 불안정하므로 안정된 더 낮은 준위로 내려가려고 한다. 이 때에 남는 에너지를 빛 등의 전자기파로 공간에 방사한다.

그림 4에 전자기파의 방사를 그림으로 나타냈다.

<그림 4> 전자기파의 방사

빛의 입자를 광자(photon)라 하는데, 광자는 빛(전자파)의 진동수 υ에 비례하는 다음과 같은 에너지를 가진다.

W= hυ= hc/λ [J or eV]

여기서, W=광자에너지, 𝜆는 빛의 파장, c는 빛의 속력을 의미한다.

위의 식( 플랑크-아인슈타인 관계식 )의 h를 플랑크(Planck) 상수라 하고, 다음 값으로 나타낸다.

h=6.624x10^-34 [J.s]

빛에 의한 궤도 전자의 여기나 복귀에 의한 발광시에, hυ의 정수 배의 에너지 교환이 광자와 궤도 전자 사이에서 일어 난다.그림 4와 같이 여기된 다음부터 복귀까지 에너지 준위 간의 에너지차 ΔW에 해당하는 전자기파가 방사된다.

 

 

전자의 에너지 준위

그림 5와 같이 전자는 원자핵의 가장자리를 일정한 법칙에 따라 정해진 몇 개의 궤도를 돌고 있다. 이 궤도에는 안쪽으로부터 붙여진 번호(주 양자수라고 함) 1,2,3,.....,n 에 따라 2n^2개의 전자가 안정된 상태로 들어가게 된다.

 

<그림 5> 전자의 에너지 준위

전자가 가지는 에너지는 원자핵으로부터 멀어지는 정도에 따라 단계적으로 커지고, 그 중간의 에너지를 가지는 전자는 존재하지 않음을 나타내고 있다. 이와 같은 에너지의 불연속의 관계를 에너지 준위(energy level)라 하고, 최저의 준위를 기저 준위라 한다.

페르미 준위 (Fermi level)란, 열 평형상태에서 전자를 찾을 수 있는 확률이 1/2 이 되는 에너지 준위를 말한다. 또, 절대온도 0[K]에서 가장 밖의 전자(가전자)가 가지는 에너지 높이를 말한다. 그리고, 페르미 준위가 서로 다른 물질과 접할 때 페르미 준위가 일치하는 현상은 페르미 준위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전자가 이동하기 때문에 페르미 준위가 일치하게 되는 것이다.

 

Reference : http://elec.xway.kr/1-1-2.htm