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에너지 준위와 궤도

이미 설명한 바와 같이, 전자는 어떤 껍질에 배치되어 있는가에 따라 원자핵에 대하여 갖는 에너지가 다르다. 또, 원자 결합을 자세히 살펴보면 같은 전자 껍질에 배치되어 있는 전자라도 각기 에너지가 다른 사실을 알 수 있다.전자의 이 에너지의 준위를 이해하는 데는 전자핵을 더 작게 부전자 껍질(궤도)로 나누어 생각할 필요가 있다.

전자의 에너지 준위

원자핵 주위의 전자가 안정하게 존재하는 정상상태의 에너지값을 기준으로 하고 그 각각의 에너지 상태를 나타내는데, 에너지의 차이가 높이의 차이에 비례하는 수평선으로 나타내면 편리하다. 이와 같이 나타낸 것을 '에너지 준위'라고 한다. 전자의 에너지 준위는 층계에 비유할 수 있으며 층계의 계단수의 변화는 항상 정수이다. 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 빛을 내는 것은 마치 계단을 뛰어내릴 때 큰 소리가 나는 것에 비유할 수 있다.

수소 원자의 전자

水素原子－電子 수소 원자 속에 1개의 전자는 보통 에너지가 가장 낮은 안정된 준위에 있다. 이것을 바닥상태(기저상태)라고 한다. 수소의 고압 방전으로 나오는 적색 빛은 특정한 파장을 가진 선 스펙트럼으로서 관찰한다. 이것은 수소 원자의 전자에 에너지를 가하여 들뜨게 하면 전자는 불연속적으로 특정한 크기의 높은 에너지 준위인 E2, E3, E4, ……등으로 옮겨간다는 것을 뜻한다. 전자는 이들 중간 크기의 에너지값을 가질 수 없다.

전자 궤도

원자의 스펙트럼을 정밀하게 조사해 보면 K, L, M ……이라는 같은 전자 껍질(주껍질)에 속해 있는 전자라도 모두 같은 에너지 준위에 있는 것이 아님을 알게 된다. 전자 껍질에는 다시 몇 개의 부껍질(또는 궤도)이 있다고 생각되며, 그것들을 에너지가 낮은 순서로부터 s, p, d, f라 한다. 이 s, p, d, f라고 하는 기호는 원자의 스펙트럼 상태에서 s는 sharp(선명한), p는 principal(중요한), d는 diffuse(확산한), f는 fundamental(기본적인)의 첫자를 따서 붙인 것이다. K껍질에는 s라고 하는 부껍질(1s 에너지 준위), L껍질에는 s(2s 에너지 준위)와 p의 2개의 부껍질, M껍질에는, s, p, d의 3개의 부껍질이 있다. 부껍질의 에너지 준위는 각각 일정하므로 그 사이의 전자의 이동에 의하여 생기는 스펙트럼의 선은 하나이어야 하는데, 자기장을 이용하여 스펙트럼을 살펴보면 일반적으로 선 스펙트럼이 분열하여 여러 개의 선이 보인다. 이것은 같은 에너지 준위에 있던 전자의 궤도가 자기장 때문에 몇 개의 다른 에너지 준위로 나뉘어진 것이다. 이러한 사실은 같은 부껍질 속에도 몇 개의 전자가 존재하며, 각 전자가 존재하는 궤도는 에너지 준위가 같아도 다른 것임을 나타낸다. s의 궤도는 1개지만 p는 3개, d는 5개의 다른 궤도를 가진다. 또, 각 궤도에는 최대 2개의 전자가 존재하고 있다.

오비탈 모델

－model 양자 역학이 발전함에 따라 전자가 원자핵의 둘레를 회전한다고 해도 태양의 주위를 도는 지구의 궤도와 같이 일정한 궤도를 그리며 돌고 있는 것이 아니라 어떤 범위 내에 존재한다는 것을 알게 되었다. 즉, 각 순간에서의 전자의 위치를 점으로 나타내고, 그것을 계속해서 나타내면 전자가 존재하는 확률이 높은 곳은 진하게, 낮은 곳은 엷게 되어 전자가 존재하는 범위가 구름처럼 나타난다. 이러한 표시를 '전자 구름'이라고 한다. 그리하여 전자의 부껍질이나 궤도라는 개념보다는 오히려 그 존재 확률이라는 뜻에서 이 전자 구름에 오비탈이라는 명칭이 붙게 되었다.