원자의 구조와 오비탈의 등장 과정

양자 역학에 따르면 원자핵 주위를 도는 전자의 정확한 위치는 알아낼 수 없고 전자가 발견될 확률만을 측정할 수 있는데요, 이런  전자가 발견될 확률을 나타낸 함수를 오비탈(orbital) 또는 궤도 함수라고 부릅니다. 

 

원자의 구조 및 원자 모형의 변천 과정

돌턴의 원자설

모든 물질은 더 이상 쪼갤 수 없는 원자로 되어 있다는 돌턴의 원자설은 물질을 구성하는 기본 입자로 원자를 제시하며 원자를 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 공과 같은 모양으로 생각하였습니다.

돌턴의 원자 모형

톰슨의 음극선 실험과 톰슨의 원자 모형

톰슨은 음극선 실험을 통해 원자를 구성하는 새로운 입자를 발견합니다. 음극선이 자기장에 의해 휘어지는 현상을 관찰하고 전하량과 질량을 알아냈습니다. 톰슨인 본인의 실험 결과에 따르면 음극선이란 음전하를 갖는 작은 입자의 흐름이며 이 입자가 바로 전자입니다. 톰슨은 이를 바탕으로 (+) 전하를 띤 원자에 (-) 전하를 띤 전자가 박혀 있는 모형을 제시하였습니다.

톰슨의 원자 모형

러더퍼드의 알파입자 산란 실험과 러더퍼드 원자 모형

러더퍼드는 알파(α) 입자 산란 실험을 통해 원자핵을 발견하였습니다. 알파 입자를 얇은 금박에 강하게 충돌시키면 금박을 뚫고 반대편에서 발견될 것이라 예상하였습니다. 하지만 큰 각도로 휘어지거나 튕겨져 나온 입자들이 발견되었고 이는 톰슨의 원자 모형으로는 설명이 불가능했습니다.

알파 입자 산란 실험

러더퍼드는 원자 내부에 (+) 전하가 아주 작은 공간을 차지하고 있는 원자핵이 존재하며 그 주위를 (-) 전하를 띠는 전자가 돌고 있는 형태의 모형을 제시하였습니다.

러더퍼드 원자 모형

 

수소 원자의 선 스펙트럼과 보어의 원자 모형

러더퍼드의 원자 모형은 불연속적인 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 없었습니다.

수소 원자의 선 스펙트럼

보어는 원자 내부의 전자가 가진 에너지는 양자화되어 있으며, 마치 태양계처럼 전자가 원자핵 주위를 특정한 에너지 준위를 갖는 궤도를 돌고 있는 모형을 제시하였습니다.

보어 원자모형

현대의 원자 모형 - 오비탈

현대의 원자 모형은 정해진 궤도로만 회전한다는 보어의 생각에서 벗어나 전자가 발견될 수 있는 확률만 고려됩니다. 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 따르면 양자의 세계에서 입자의 위치와 운동량 모두를 정확하게 측정하기란 불가능합니다. 따라서 전자의 위치를 정확하게 계산해 낼 수 없어 전자가 원자핵 주위에서 발견될 확률만 나타내는데요. 이러한 함수를 오비탈(orbital)이라고 합니다.

확률을 나타내는 함수식은 다음과 같습니다.

파동 함수

그중 1s 오비탈의 함수식은 다음과 같은데요

1s 오비탈의 파동 함수

이를 제곱하면 전자가 발견될 확률 밀도를 나타내며, 3차원 상에 그림으로 나타내면 이렇습니다.

1s 오비탈

 

이러한 오비탈을 이해하기란 쉽지 않은데요. 그래도 제가 이해한 선에서 조금씩 포스팅해 보도록 하겠습니다.