• 전자에 관한 정보의 습득 과정 및 실험 (역사적 배경) 12 원자의 구조 원자 - 핵(nuclear): 양성자(proton) + 중성자(neutron) - 전자(electron) • 전자에 관한 정보의 습득 과정 및 실험 (역사적 배경)

12.1 전자 (electron) • 1800년 Alessandro Volta : 화학에너지를 전기로 전환할 수 있는 장치 고안 Volta-cell (볼타전지) • 1807~8년 Humphry Davy : 강력한 건전지를 이용하여 칼륨(K), 나트륨(Na), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 칼슘(Ca) 등의 분리 성공  전기화학 (electrochemistry)의 시작

• Michael Faraday : 전기화학을 발전시켰으며, 전기분해 현상을 설명

- 낮은 압력 하에서 공기 또는 다른 기체를 통한 전기의 이동에 관한 연구 (전해질, 전류 등)

• 1879년 William Crookes : 기체 방전관을 통한 음극선(cathode ray) 발견 - TV 브라운관 = cathode ray tube (CRT) - 음극선은 전자들의 빔 - 음극선은 직선 이동, 그러나 주변 자기장의 영향으로 편향

음극선의 질량대 전하비율: Thomson의 실험 • 1897년 Joseph John Thomson : 음극선은 음전하를 가지는 입자로 구성되었음을 발견

• 1891년 George Stoney : Faraday의 연구 업적을 바탕으로 하여 “음전하를 가지는 입자” 의 존재를 인정  electron ( e- )이라고 명명

• 1909년 : Robert Millikan의 기름 방울 실험 (Oil-drop experiment) q = ne (n = 1,2,3 ……) e = - 1.602 x 10-19 C • Faraday 상수 : 96,485 C으로부터 96,485 C  (1.602 x 10-19 C) = 6.02 x 1023 (Avogadro number) • J. J. Thomson의 실험 결과와 연결하여 electron 한 입자의 무게를 결정

12.2 X-선과 방사능 • Willam Crookes: 실험실에 공급되는 필름의 이상을 그냥 지나침으로 • 1895년 : Wilhelm Roentgen의 X-선 발견 • 1896년 : Antonie Henri Becquerel과 Marie and Pierre Curie에 의한 방사능(radioactivity) 존재 발견 • 세 종류의 방사선 -선 -선 -선

12.3 원자 핵 모델 : Rutherford의 실험

12.4 양성자(proton)와 중성자(neutron) • 1886년 : Eugen Goldstein의 양극선 발견  이 입자의 질량은 전자의 약 1836배의 질량 • 1914년 : Rutherford, 양극선 입자가 모든 핵의 양전하에 대한 기본 단위라고 제안.  proton으로 명명을 제안. • 1920 ~ 30년 : 원자의 “초과질량”에 관한 문제를 중성자(neutron)으로 해결. 중성자(neutron) : - 양성자와 동일한 질량 - 전기적 중성

질량분광학 (Joseph J. Thomson의 실험을 기초로 하여)  물질의 절대질량 측정

12. 5 질량분광법을 이용한 원자량의 결정 • 동위원소 (iostope) : 원자번호는 같지만 질량수가 다른 원자 • 원자량 (atomic weight) : 자연계에 존재하는 동위원소의 원자질량과 존재비를 곱하여 더한 값  평균 원자 질량

빛의 파동성 (Wave nature) : 빛의 성질 중 보강 간섭과 상쇄간섭을 기초로 하여 12.6 자연계의 빛 : 빛의 본성 빛의 파동성 (Wave nature) : 빛의 성질 중 보강 간섭과 상쇄간섭을 기초로 하여 • 파동(Wave) : 한점에서 다른 점으로 확산되는 점진적이고 반복되는 물결 • 전자기파(Electromagnetic wave) : 전하를 가지는 입자의 운동에 의하여 발생하는 물결 운동

• 파장 (Wavelength, ) : 연속적으로 나타나는 과정에서 동일한 두 지점 간의 거리. • 진동수 (Frequency: ) : 단위시간에 한 지점을 통과하는 파동의 횟수. • c : 단위시간 당 파동이 이동한 거리  빛의 속도(공기중이 아니라 진공에서 움직이는 속도를 말함) 2.99792458 x 108 m/s = 3.00 x 108 m/s

전자기 스펙트럼 (Electromagnetic spectrum) : 전자기 방사선의 영역은 단파장의 높은 진동수를 가지는 감마선으로부터 장파장의 낮은 진동수를 가지는 라디오파까지 해당  이 영역의 파장과 진동수를 말함

연속 스펙트럼 (Continuous spectrum) 청색 빛은 적색 빛보다 짧은 파장(높은 진동수)을 가짐, 연속적인 가시광선 스펙트럼에는 가시광선의 모든 파장들이 포함되어 있고, 백색 광은 단지 모든 파장 성분들 또는 색깔들이 합쳐진 것

불연속 스펙트럼 또는 띠 스펙트럼 (Line spectrum) • 수소기체를 포함하는 수소기체 방전관에 서 발생하는 빛을 슬릿과 프리즘을 통과 시켰을 때

• 기타 몇 가지 원소들의 띠 스펙트럼  원소들을 확인하는데 이용

Robert Bunsen과 원자 방출 스펙트럼 (atomic emission spectrum)

12.7 광자(Photon) : 양자에 의한 에너지 • 파동설로 설명할 수 없는 현상  선 스펙트럼 • 고체는 고온 (750 oC 이상)에서 적색 빛을 방출  온도가 더 상승하면 노란색 빛과 파란색 빛  1200 oC에서는 백색의 빛을 방출, 이런 복사선은 고체의 종류와는 무관하고 온도와 관련  흑체복사선 (black-body radiation)

Max Planck의 양자 가설

h : Planck 상수 6.626 x 10-34 J • s • photon-1 광전효과 : Einstein과 광자 • Einstein의 광전 효과에 대한 해석 : 광선 빔 (photo)을 금속 표면에 쏘여주면 전자 빔(electric)이 생성된다. (전자 빔 = Max Planck의 광자) 광자의 에너지 = E = h h : Planck 상수 6.626 x 10-34 J • s • photon-1

광자의 에너지 계산 

12.8 Bohr의 수소 원자 : 행성 모델 n = 1, 2, 3 . . . B = 2.179 x 10-18 J 전자들뜸 n = 1, 2, 3 . . . B = 2.179 x 10-18 J (Planck상수와 전하의 질량, 전하 값으로부터 계산되는 수) 빛의 방출

띠 스펙트럼에 대한 Bohr의 설명 Ef Ei Ei Ef 예제 12.7

12.9 파동역학 : 물질의 파동성

Schrödinger wave function을 계산하기 위한 parameter = Quantum number - Wave equation으로 표현 : Schrödinger equation - Wave function (ψ : psi, 싸이) - Uncertainly principle (불확정성 원리): Werner Heisenberg - ψ2 : 특정한 부피 공간에서 전자의 발견 확률: Max Born Schrödinger wave function을 계산하기 위한 parameter = Quantum number 1. Principal Quantum Number (주양자수: n) n = 1, 2, 3, 4, 5, . . . (정수 값) 2. Angular momentum quantum number (각운동량 양자수: l ) l = 0, 1, 2, 3, 4, 5, . . (n -1). (정수 값) 3. magnetic quantum number (자기 양자수: ml ) ml = - l, (- l + 1), .. , 0 , .., (l -1), l. (정수 값) 4. Spin quntum number (ms) ms = + 1/2

예제 12.10 n l m l ms 1 0 (s) +1/2, -1/2 n l m l ms 2 0 (s) +1/2, -1/2   1 0 (s) +1/2, -1/2   n l m l ms   2 0 (s) +1/2, -1/2 1 (p) -1, 0, +1   n l m l ms   3 0 (s) +1/2, -1/2 1 (p) -1, 0, +1 2 (d) -2, -1, 0, +1, +2   n l m l ms   4 0 (s) +1/2, -1/2 1 (p) -1, 0, +1 2 (d) -2, -1, 0, +1, +2 3 (f) -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 예제 12.10

Wave function에 의해 결정된 원자 오비탈의 기하학적인 모양

12.11 전자스핀 : 네 번째 양자수 ( +1/2 :  및 –1/2 :  ) 12.11 전자스핀 : 네 번째 양자수 ( +1/2 :  및 –1/2 :  )