원자 모형과 에너지 준위

1. 돌턴(1803)의 원자 모형
 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 공 모양의 딱딱한 원자로 이루어져 있음

돌턴의 원자 모형

 특징
화학의 기본 법칙(질량 보존 법칙, 일정 성분비 법칙, 배수 비례 법칙) 설명의 이론적 토대 수립

 한계점
톰슨의 음극선 실험 결과 설명 불가능

2. 톰슨(1897년)의 원자 모형
 (+)전하를 띤 부드러운 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 드문드문 박혀 있음

톰슨의 원자 모형

 특징
원자가 고른 밀도를 가진 (+)전하를 띤 공 속에 (-)전하를 띤 전자가 박혀 있다고 주장하여 원자의 전기적 성질을 일부 설명함

 한계점
러더퍼드의 알파 입자 산란 실험 결과 설명 불가능

3. 러더퍼드(1911년)의 원자 모형

 원자의 중심에 크기가 매우 작고 질량이 큰 (+)전하를 띤 원자핵이 있고, 그 주위를 (-)전하를 띤 전자가 돌고 있음

러더퍼드의 원자 모형

 특징
원자의 중심에 있는 원자핵의 존재 및 원자핵의 성질과 원자가 대부분 빈 공간임을 밝힘

 한계점
수소의 선 스펙트럼 설명 불가능

4. 보어(1913년)의 원자 모형

 원자핵을 중심으로 전자는 일정한 에너지를 가지는 원형의 궤도를 돌고 있음

보어의 원자 모형

 특징
수소 원자의 선 스펙트럼 설명 가능

 한계점
2개 이상의 전자를 가지는 다전자 원자의 선 스펙트럼 설명 불가능

5. 현대의 원자 모형

 원자핵 주위에 전자가 발견될 확률만을 알 수 있으며, 확률 분포를 구름과 같은 모양으로 나타냄

현대의 원자 모형

 특징
슈뢰딩거(1926년): 특정 위치에서 전자가 발견될 확률을 계산→ 확률 분포를 구름처럼 나타내는 전자 구름 모형 제시
채드윅(1932년): 중성자의 존재 확인→ 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어짐

 한계점
점은 전자의 개수를 의미하는 것이 아니라 전자가 존재할 수 있는 확률 분포를 나타냄

수소원자의 스펙트럼
보어의 이론은 수소원자의 스펙트럼을 완벽하게 해석한다.

수소원자에서 허용된 전자의 에너지는 맨 밑에서부터 -13.6, -3.40, -1.51, -0.85, -0.54, -0.38, ... , 0 [eV] 등이다. 이들을 에너지 준위라 하고, 전자가 이들 준위 중에서 한 준위에 있게 되는데, 보통상태의 수소원자는 제일 아래의 준위에 전자가 머무르고 있어 이를 바닥상태라고 한다. 한편 전자가 적절한 에너지를 받게 되면 바닥상태보다 더 높은 준위로 올라가게 되는데 이를 들뜬다라고 하고, 이렇게 된 상태를 들뜬상태라고 한다.

상태사이를 넘나드는데(전자의 전이) 필요한 에너지는 주로 빛(광자)에 의하게 되는데, 높은 상태 낮은 상태로 전자가 내려오는 경우에는 그 차이에 대한 빛이 방출된다.