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  7. 물질의 구조와 성질

에너지 준위


1. 에너지 준위

  • 원자핵 주위에 존재하는 전자는 특정한 에너지 값을 갖는 정해진 궤도에서만 존재할 수 있음. 전자가 가질 수 있는 에너지 값 또는 그러한 에너지를 가진 상태를 에너지 준위라고 함


2. 기체 원자의 에너지 준위

  • 전자의 에너지가 충분히 크지 않으면 원자핵과 전자 사이의 인력으로 인해 전자가 원자핵 주변을 벗어나지 못하고 돌게 됨. 이때 기체 원자들은 서로 떨어져 있어 원자 사이에 영향을 주지 않기 때문에 같은 종류의 기체인 경우 에너지 준위 분포가 동일함


원자핵에 속박된 전자속박된 전자의 에너지 준위


3. 고체 원자의 에너지

  • 준위 원자 사이의 간격이 가까워서 인접한 원자들이 모두 전자의 궤도에 영향을 주어 에너지 준위가 겹치게 됨


고체의 에너지 준위와 에너지띠의 형성


속박된 전자의 에너지 준위 2개의 원자에 의한 에너지 준위


많은 수 원자에 의한 에너지 준위


1. 속박된 전자의 에너지 준위

  • 홀로 존재하는 원자 내부의 에너지 준위는 그림 (가)와 같음. 2개의 고체 원자가 서로 멀리 떨어져 있는 경우 두 원자는 각각 고립되어 있다고 생각할 수 있으며, 이때 각각의 원자가 갖는 불연속적인 에너지 준위는 그림 (가)와 같을 것임


2. 2개의 원자에 의한 에너지 준위

  • 원자 사이의 거리가 점점 가까워지면 원자 간의 상호 작용에 의해 에너지 준위에 변화가 생기게 됨. 2개의 고체 원자가 가까워지는 경우 파울리 배타 원리에 의해 하나의 양자 상태에 동일한 전자가 두 개 있을 수 없다. 따라서 고립된 원자에 대한 각각의 에너지 준위들은 그림 (나)와 같이 2개의 에너지 준위로 나누어지게 됨


3. 많은 수의 원자에 의한 에너지 준위

  • 고체 내부에 서로 인접한 원자가 3개, 4개, …… 로 늘어나면 원자 간의 상호 작용에 의해 원자들의 에너지 준위도 3개, 4개,……로 나누어지게 되고, 원자의 수가 무수히 많아지면 원자의 에너지 준위도 그림 (다)와 같이 연속적인 띠처럼 나타나게 됨. 실제 고체의 내부에는 많은 수의 원자가 매우 가깝게 존재하므로 금속 내부의 고체 원자는 연속적인 띠 모양의 에너지 준위를 가지게 되는데, 이를 에너지띠라고 함


고체의 에너지띠


1. 에너지띠

  • 수많은 원자들로 구성된 고체의 경우 원자들 사이의 거리가 매우 가까움. 이로 인해 원자 사이의 상호 작용에 의해 원자가 가지는 에너지 준위가 미세한 차이를 두고 나뉘어지면서 서로 겹치게 되어 연속적인 띠와 같은 모양을 가지게 되는데, 이를 에너지띠라고 함


2. 원자가띠

  • 원자의 가장 바깥에 있는 전자가 차지하는 에너지띠로, 원자가띠에는 전자가 채워져 있음


3. 전도띠

  • 원자가띠 위에 있는 에너지띠로, 전자가 없음


4. 띠틈

  • 인접한 허용된 띠 사이의 에너지 간격을 말하며 전자가 존재할 수 없는 영역임


에너지 띠


원자 내 전자


1. 속박전자

  • 원자핵에 구속되어 벗어날 수 없는 전자


2. 자유 전자

  • 원자핵의 구속에서 벗어나 원자 사이를 이동할 수 있는 전자


3. 방출 전자

  • 에너지를 받아 물체 밖으로 빠져 나온 도체 밖의 전자


4. 원자가 전자

  • 원자의 가장 바깥쪽 껍질에 해당하는 궤도를 도는 전자 → 원자가 전자는 화학적인 성질과 반응을 결정하는 데 큰 영향을 미침


속박 전자는지상의 비행장에서 이착륙이 제한된 비행기, 자유 전자는 지상을 벗어나 지구의 중력장 안에서 회전하는 인공위성, 방출 전자는 지구의 중력장을 벗어난 우주선에 비유할 수 있음


관련문제

문제

01

그림은 고체의 에너지띠 구조를 나타낸 것이다. A, B, C에 해당하는 에너지 영역을 바르게 짝지은 것은?

<보기>

고체의 에너지띠 구조

선택지


A

B

C

전도띠

원자가띠

띠틈

전도띠

띠틈

원자가띠

띠틈

전도띠

원자가띠

원자가띠

전도띠

띠틈

원자가띠

띠틈

전도띠

정답 :

해설 :

A는 전도띠, B는 띠틈, C는 원자가띠임

문제

01

그림은 전자의 에너지 준위를 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

<보기>

에너지 준위

선택지

① 전자가 갖는 에너지는 불연속적이다.

② 속박된 전자의 에너지 준위를 나타낸다.

③ 에너지 준위는 전자가 가질 수 있는 에너지 값이다.

④ 원자핵에서 멀어질수록 전자가 갖는 에너지의 크기가 커진다.

⑤ 원자핵에 가까워질수록 에너지 준위 사이의 간격이 좁아진다.

정답 :

해설 :

원자핵에 가까워질수록 에너지 준위 사이의 간격이 넓어짐

참고서 연관목차

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  1. 1.시공간과 우주

    1. 1 . 시간, 공간, 운동

    2. 2 . 시공간의 새로운 이해

  2. 2.물질과 전자기장

    1. 1 . 전자기장

    2. 2 . 물질의 구조와 성질

  3. 3.정보와 통신

    1. 1 . 소리와 빛

    2. 2 . 정보의 전달과 저장

  4. 4.에너지

    1. 1 . 에너지의 발생

    2. 2 . 힘과 에너지의 이용

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