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화학 32, 수소 원자에 양자 이론을 적용

철학과 2022. 5. 14. 05:50

양자 이론은 에너지가 별개의 묶음으로 온다고 주장했다. 이 이론은 다름 아닌 20세기의 가장 뛰어난 물리학자인 알버트 아인슈타인에 의해 1905년에 광전 효과에 성공적으로 적용되었습니다. 그의 연구의 결과는 빛이 성질이 이분법적이거나 미립자적인 것으로 간주될 수 있다는 것이었다. 그럼에도 불구하고, 아인슈타인은 곧 양자 역학을 불완전한 이론으로 간주하기 시작했고 그것에 대한 그의 비판을 그의 남은 인생 동안 유지하는 것이었다.
1913년 데인 닐스 보어는 수소 원자에 양자 이론을 적용했는데, 루터포드처럼, 순환 전자를 가진 중심 핵으로 구성될 것이라고 생각했습니다. 보어는 전자에 사용할 수 있는 에너지가 특정한 이산 값에서만 발생하거나, 그림으로 볼 때, 전자가 핵 주위의 어떤 수의 쉘이나 궤도에 존재할 수 있다고 가정했다. 이 모델은 수소 원자의 작용과 사실 어떤 원소의 원자의 몇가지 특징을 어느 정도 설명할 수 있다. 첫째, 그것은 전기 에너지의 폭발에 노출된 수소 원자가 다소 특정한 주파수만 관찰되는 불연속 스펙트럼을 초래하는 이유를 설명했다. 보어는 이러한 행동이 전자가 허용된 에너지 수준에서 다른 에너지 수준으로의 전환을 겪었을 때 일어났다고 추론했다. 그러한 전환은 원자의 두 에너지 수준 사이의 에너지 차이에 해당하는 정밀 에너지의 방출 또는 흡수를 동반했다.
두번째로, 덜 만족스럽게도, 이 모델은 왜 전자가 에너지를 잃지 않고 원형 운동을 겪고 있는 전하 입자에 고전적인 역학을 적용하는 것에서 예측한 것처럼 원자의 핵으로 충돌하지 않는지 설명했다. 보어의 반응은, 전자가 고정된 궤도를 유지한다면, 에너지를 잃지 않을 것이라는 것이었습니다. 그는 또한 전자가 어떤 하향 변화도 겪을 수 없는 그 이상의 최저 에너지 수준이 있다고 가정했다.
보어는 그 후 수소가 아닌 여러개의 전자 원자를 포괄하는 모델을 일반화되었습니다. 무엇보다도 그는 원자 번호 Z를 가진 중성 원자 또한 Z전자를 가질 것이라고 추측했다. 그리고 나서 그는 전자들이 어떤 특정 원자에 배열되는 방법을 확립하기 시작했다. 한 전자에서 많은 전자로 그러한 도약을 하는 이론적 타당성이 문제가 된 반면, 이것은 보어가 어떻게든 앞으로 나아가는 것을 막지 못 했다. 그가 도착한 전자적 구성은 그림 23과 같다.
보어는 원래 1913년에 원자의 전자적 구성을 계획했습니다.
그러나 보어의 전자를 조개 껍질에 할당하는 것은 수학적 근거나 양자 이론의 명백한 도움 없이 수행되지 않았다. 대신 보어는 붕소의 원자가 보론자 그룹의 다른 원소들과 마찬가지로 세개의 결합을 형성할 수 있다는 지식과 같은 화학적 증거에 호소했다. 따라서 붕소의 원자는 이것이 가능하게 하기 위해 세개의 외부 전자를 가지고 있어야 했다. 하지만 그와 같이 초보적이고 비중복적인 이론을 가진 보어는 왜 리튬, 나트륨, 칼륨과 같은 원소들이 주기율 표의 같은 그룹에서 발생하는지, 그리고 주기율 표의 모든 그룹의 구성원에 대해서도 발생하는지에 대한 첫번째 성공적인 전기 기반의 설명을 제공했습니다. 리튬, 나트륨, 칼륨의 경우, 그것은 각각의 원자들이 남아 있는 전자들로부터 따로 떨어져 있는 바깥 껍질에 있는 전자를 가지고 있기 때문입니다.
보어의 이론은 다른 한계가 있는데, 그 중 하나는 그것이 He+, Li2+, Be3+등과 같은 수소나 이온 같은 1개의 원자에만 엄격히 적용된다는 것입니다. 또한 이러한 '수소'스펙트럼에 대한 스펙트럼의 일부 라인이 예상치 못한 라인 쌍으로 분할되는 것이 확인되었다. 독일에서 일하고 있는 아놀드 소머펠드는 핵이 원형 원자의 심장이 아닌 타원의 한 지점에 놓여 있을 수도 있다고 제안했다. 그의 계산에 따르면 보어의 주요 전자 껍질 안에 하위 셸을 도입해야 한다고 합니다. 보어의 모델은 각각 별개의 쉘이나 궤도를 나타내는 하나의 양자 번호로 특징 지어지는 반면, Sommerfeld의 수정된 모델은 전자의 타원형 경로를 지정하기 위해 두개의 양자 번호를 필요로 했다. 이러한 새로운 양자 수치로 보어는 그림 24에서 볼 수 있듯이 1923년에 더 상세한 전자적 구성을 편집할 수 있었습니다.
보어는 두개의 양자 숫자를 바탕으로 한 1923년식 전자 구성입니다.