산업기술
산업 제조
“아무도 양자를 이해하지 못한다고 말하는 것이 안전하다고 생각합니다. 역학.” —물리학자 Richard P. Feynman
반도체 장치의 발명은 혁명이라고 해도 과언이 아닙니다. 이것은 인상적인 기술적 성취였을 뿐만 아니라 현대 사회를 지울 수 없이 변화시킬 발전의 길을 닦았습니다. 반도체 장치는 컴퓨터, 특정 유형의 의료 진단 및 치료 장비, 널리 사용되는 통신 장치를 비롯한 전자 장치의 소형화를 가능하게 하여 이 기술의 몇 가지 응용 프로그램을 예로 들 수 있습니다.
이 기술 혁명의 이면에는 양자 물리학 분야인 일반 과학의 훨씬 더 큰 혁명이 있습니다. . 자연계에 대한 이해의 비약이 없었다면 반도체 장치(및 아직 개발 중인 고급 전자 장치)의 개발은 결코 불가능했을 것입니다. 양자 물리학은 엄청나게 복잡한 과학 영역입니다. 이 장은 간략한 개요입니다. 파인만의 수준의 과학자들이 “아무도 [그것]을 이해하지 못한다”고 말할 때, 당신은 그것이 복잡한 주제임을 확신할 수 있습니다. 그러나 양자 물리학에 대한 기본적인 이해나 최소한 그 공식화를 이끈 과학적 발견에 대한 이해 없이는 반도체 전자 장치가 어떻게 그리고 왜 작동하는지 이해하는 것이 불가능합니다. 내가 읽은 대부분의 전자 입문 교과서는 반도체를 "고전" 물리학의 관점에서 설명하려고 하므로 이해보다 혼란이 더 많이 발생합니다.
우리 중 많은 사람들이 아래 그림과 같은 원자 다이어그램을 본 적이 있습니다.
러더퍼드 원자:음의 전자가 작은 양의 핵 주위를 돌고 있습니다.
양성자라고 하는 물질의 작은 입자 및 중성자 원자의 중심을 구성합니다. 전자 별 주위를 행성처럼 공전합니다. 핵은 양성자의 존재로 인해 양전하를 띠고(중성자는 전하가 전혀 없음), 원자의 균형을 이루는 음전하는 궤도를 도는 전자에 있습니다. 행성이 태양에 중력적으로 끌리는 것처럼 음의 전자는 양의 양성자에 끌리지만 전자의 움직임으로 인해 궤도는 안정적입니다. 우리는 이 인기 있는 원자 모델을 1911년경에 실험적으로 결정한 어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford)의 연구에 빚지고 있습니다. , 제이제이 톰슨.
Rutherford의 산란 실험은 아래 그림과 같이 양전하를 띤 알파 입자로 얇은 금박에 충격을 가하는 것을 포함합니다. 젊은 대학원생 H. Geiger와 E. Marsden은 예상치 못한 결과를 경험했습니다. 몇 개의 알파 입자가 큰 각도로 편향되었습니다. 몇 개의 알파 입자가 후방 산란되어 거의 180 o 에서 반동했습니다. . 대부분의 입자가 편향되지 않은 상태로 금박을 통과하여 금박이 대부분 빈 공간임을 나타냅니다. 소수의 알파 입자가 큰 편향을 경험했다는 사실은 극소수의 양전하를 띤 핵의 존재를 나타냅니다.
Rutherford 산란:알파 입자 빔이 얇은 금박에 의해 산란됩니다.
Rutherford의 원자 모델이 Thompson의 것보다 실험 데이터를 더 잘 설명했지만 여전히 완벽하지는 않았습니다. 원자 구조를 정의하려는 추가 시도가 수행되었으며 이러한 노력은 양자 물리학의 기이한 발견을 위한 길을 닦는 데 도움이 되었습니다. 오늘날 원자에 대한 우리의 이해는 훨씬 더 복잡합니다. 그럼에도 불구하고 양자 물리학의 혁명과 원자 구조에 대한 우리의 이해에 대한 기여에도 불구하고, 원자에 대한 러더퍼드의 태양계 그림은 부적절할 때조차도 일부 연구 영역에서 지속되는 정도로 대중의 의식 속에 자리 잡았습니다.
인기 있는 전자 교과서에서 가져온 원자의 전자에 대한 다음과 같은 짧은 설명을 고려하십시오.
그러므로 궤도를 도는 음의 전자는 양의 핵 쪽으로 끌리며, 이는 전자가 원자핵으로 날아가지 않는 이유에 대한 질문으로 이어집니다. 답은 궤도를 도는 전자가 두 개의 동일하지만 반대되는 힘 때문에 안정적인 궤도에 남아 있다는 것입니다. 궤도 때문에 전자에 가해지는 원심력은 서로 다른 전하로 인해 전자를 핵 쪽으로 끌어당기려는 내향 인력(구심력)을 상쇄합니다.
러더퍼드 모델에 따라 이 저자는 전자를 원형 궤도에 참여하는 고체 덩어리로 던지고 반대 전하를 띤 핵에 대한 내부 인력은 움직임에 의해 균형을 이룹니다. "원심력"에 대한 언급은 기술적으로 부정확하지만(심지어 궤도를 도는 행성의 경우에도), 대중적으로 받아들여지기 때문에 쉽게 용서됩니다. 실제로 어떤도 미는 힘은 없습니다. 궤도를 도는 천체 멀리 궤도의 중심에서. 물체의 관성은 물체를 직선으로 계속 이동시키는 경향이 있고 궤도는 직선 이동에서 일정한 편차(가속도)이기 때문에 물체를 궤도 쪽으로 끌어당기는 힘에 대해 일정한 관성 반대가 있기 때문에 그렇게 보입니다. 중심(구심), 중력, 정전기적 인력 또는 기계적 연결의 장력입니다.
그러나 이 설명의 진짜 문제는 처음부터 전자가 원형 궤도를 여행한다는 생각입니다. 가속하는 전하가 전자기파를 방출한다는 것은 검증 가능한 사실이며, 이 사실은 러더퍼드 시대에도 알려져 있었다. 궤도 운동은 가속도의 한 형태(정상 직선 운동에서 일정한 가속도로 궤도를 도는 물체)이므로 궤도 상태의 전자는 회전하는 타이어에서 진흙과 같은 방사선을 방출해야 합니다. 싱크로트론이라고 하는 입자 가속기의 원형 경로 주변에서 전자가 가속됨 이 작업을 수행하는 것으로 알려져 있으며 그 결과를 싱크로트론 복사라고 합니다. . 전자가 이러한 방식으로 에너지를 잃으면 궤도가 결국 붕괴되어 양전하를 띤 핵과 충돌하게 됩니다. 그럼에도 불구하고 이것은 일반적으로 원자 내에서 발생하지 않습니다. 실제로 전자 "궤도"는 광범위한 조건에서 매우 안정적입니다.
더욱이, "들뜬" 원자에 대한 실험은 원자에서 방출되는 전자기 에너지가 특정한 특정 주파수에서만 발생한다는 것을 보여주었습니다. 빛과 같은 외부 영향에 의해 "들뜬" 원자는 그 에너지를 흡수하여 특정 주파수의 전자기파로 되돌리는 것으로 알려져 있습니다. 마치 두드려도 고정된 음높이로 울리는 소리굽쇠와 같습니다. 여기된 원자에서 방출된 빛이 프리즘에 의해 구성 주파수(색상)로 분할될 때 스펙트럼에 뚜렷한 색상 라인이 나타나며 스펙트럼 라인의 패턴은 해당 요소에 고유합니다. 이 현상은 일반적으로 원자 원소를 식별하고 화합물 또는 화학 혼합물에서 각 원소의 비율을 측정하는 데 사용됩니다. 러더퍼드의 태양계 원자 모델(전자를 모든 반경에서 자유롭게 궤도를 도는 물질 덩어리로 간주)과 고전 물리학 법칙에 따르면 여기된 원자는 선택된 소수가 아니라 거의 무한한 범위의 주파수에서 에너지를 반환해야 합니다. 즉, 러더퍼드의 모델이 정확하다면 "소리굽쇠" 효과가 없고 모든 원자에서 방출되는 빛 스펙트럼은 몇 개의 별개의 선이 아닌 연속적인 색상 띠로 나타납니다.
보어 수소 원자(크기에 따라 궤도가 그려짐)는 전자가 이산 궤도에만 존재하도록 허용합니다. n=3,4,5 또는 6에서 n=2로 떨어지는 전자는 스펙트럼 라인의 발머 계열을 설명합니다.
Niels Bohr라는 이름의 선구적인 연구원은 1912년에 Rutherford의 실험실에서 몇 달 동안 연구한 후 Rutherford의 모델을 개선하려고 시도했습니다. 다른 물리학자들(가장 유명한 Max Planck와 Albert Einstein)의 발견을 조화시키려고 노력하면서 Bohr는 각각의 전자가 다음과 같이 제안했습니다. 특정 양의 에너지가 있고 궤도가 양자화 이전에 상상했던 자유 범위 위성이 아니라 핵 주위의 원형 궤도에 고정된 구슬처럼 각각이 핵 주위의 특정 위치를 차지할 수 있습니다. (위 그림) 전자기 및 가속 전하의 법칙에 따라 Bohr는 이러한 "궤도"를 정지 상태라고 언급했습니다. 그들이 움직이고 있다는 의미를 피하기 위해. 실험 결과에 더 가깝게 일치하는 관점에서 원자 구조를 재구성하려는 보어의 야심 찬 시도는 물리학의 이정표였지만 완전하지는 않았습니다. 그의 수학적 분석은 이전 모델에 속한 분석보다 실험적 사건에 대한 더 나은 예측을 제공했지만 왜 전자는 그런 이상한 방식으로 행동해야 합니다. 전자가 핵 주위에 고정된 양자화된 상태로 존재한다는 주장은 러더퍼드의 모델보다 실험 데이터를 더 잘 설명했지만 전자가 이러한 특정 상태를 나타내도록 하는 것이 무엇인지는 알지 못했습니다. 그 질문에 대한 답은 약 10년 후 다른 물리학자인 Louis de Broglie로부터 나왔습니다.
De Broglie는 광자(빛의 입자)로서의 전자가 입자와 같은 특성과 파동과 같은 특성을 모두 나타낼 수 있다고 제안했습니다. 이 제안을 바탕으로 그는 입자 관점보다 파동 관점에서 궤도를 도는 전자를 분석하면 양자화된 특성을 더 잘 이해할 수 있다고 제안했습니다. 실제로, 이해의 또 다른 돌파구에 도달했습니다.
두 고정점 사이에서 공진 주파수로 진동하는 현은 정재파를 형성합니다. .
de Broglie에 따르면 원자는 정재파로 존재하는 전자로 구성되어 있습니다. , 다양한 형태로 물리학자들에게 잘 알려진 현상. 뽑아낸 악기 현(위 그림)이 길이를 따라 안정된 위치에 "절점"과 "대극점"이 있는 공명 주파수로 진동합니다. De Broglie는 아래 그림과 같이 원 주위로 구부러진 파동으로 서 있는 원자 주위의 전자를 상상했습니다.
핵 주위의 정상파로 "궤도하는" 전자, (a) 궤도당 2주기, (b) 궤도당 3주기.
전자는 파동의 끝이 일치하는 유일한 거리이기 때문에 핵 주위의 특정하고 명확한 "궤도"에만 존재할 수 있습니다. 다른 반경에서는 파동이 파괴적으로 간섭하여 존재하지 않아야 합니다. De Broglie의 가설은 원자 내 전자의 양자화된 상태를 설명하기 위해 수학적 지원과 편리한 물리적 유추를 제공했지만 그의 원자 모델은 여전히 불완전했습니다. 그러나 몇 년 안에 물리학자 Werner Heisenberg와 Erwin Schrodinger는 서로 독립적으로 연구하여 de Broglie의 물질-파동 이중성 개념을 바탕으로 수학적으로 더 엄격한 아원자 입자 모델을 만들었습니다.
드 브로이의 원시적 정상파 모델에서 하이젠베르크의 행렬 및 슈뢰딩거의 미분 방정식 모델로의 이러한 이론적 발전에 양자 역학이라는 이름이 주어졌습니다. , 그리고 그것은 아원자 입자의 세계에 다소 충격적인 특성, 즉 확률 또는 불확실성의 특성을 도입했습니다. 새로운 양자 이론에 따르면 정확한 위치 및를 결정하는 것이 불가능했습니다. 동시에 입자의 정확한 운동량. 이 "불확실성 원리"에 대한 대중적인 설명은 그것이 측정 오류였다는 것입니다(즉, 전자의 위치를 정확하게 측정하려고 시도하면 전자의 운동량을 방해하므로 위치 측정이 수행되기 전의 상태를 알 수 없으며, 전자의 반대로). 양자 역학의 놀라운 의미는 입자가 실제로 정확한 위치 및를 갖고 있지 않다는 것입니다. 모멘텀이 아니라 결합된 불확실성이 특정 최소값 아래로 감소하지 않는 방식으로 두 양의 균형을 유지합니다.
이러한 형태의 "불확실성" 관계는 양자 역학 이외의 영역에 존재합니다. 이 책 시리즈 2권의 "혼합 주파수 AC 신호" 장에서 논의한 바와 같이 파형의 시간 영역 데이터와 주파수 영역 데이터의 확실성 사이에는 상호 배타적인 관계가 있습니다. 간단히 말해서 구성 주파수를 더 정확하게 알수록 시간에 따른 진폭을 덜 정확하게 알 수 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 자신의 말을 인용하자면:
무한 지속 시간(무한 주기 수)의 파형은 절대 정밀도로 분석할 수 있지만 분석을 위해 컴퓨터에서 사용할 수 있는 주기가 적을수록 분석의 정확도가 떨어집니다. . . 파동이 순환하는 횟수가 적을수록 주파수는 덜 확실합니다. 이 개념을 논리적으로 극단으로 치면, 짧은 펄스(주기를 완료하지도 않는 파형)는 실제로 주파수가 없지만 무한한 범위의 주파수로 작동합니다. 이 원리는 AC 전압 및 전류뿐만 아니라 모든 파동 기반 현상에 공통적입니다.
변화하는 신호의 진폭을 정확하게 결정하려면 매우 좁은 시간 범위에 걸쳐 샘플링해야 합니다. 그러나 이렇게 하면 파동의 주파수에 대한 우리의 시각이 제한됩니다. 반대로, 파동의 주파수를 매우 정확하게 결정하려면 많은 주기에 걸쳐 샘플링해야 합니다. 즉, 주어진 순간의 진폭을 볼 수 없습니다. 따라서 우리는 어떤 파동의 순시 진폭과 전체 주파수를 무한한 정밀도로 동시에 알 수 없습니다. 이상하게도 이 불확실성은 관찰자의 부정확성 이상입니다. 그것은 파동의 본질에 있습니다. 적절한 기술이 주어진다면 둘 모두의 정확한 측정값을 얻는 것이 불가능할 것입니다. 순간 진폭과 주파수. 말 그대로 파동은 정확하고 순간적인 진폭과 정확한 주파수를 동시에 가질 수 없습니다.
Heisenberg와 Schrodinger가 표현한 입자의 위치와 운동량의 최소 불확실성은 측정의 한계와 관련이 없습니다. 오히려 그것은 입자의 물질-파동 이중 성질의 본질적인 속성입니다. 따라서 전자는 실제로 "궤도"에 정확하게 정의된 물질 조각으로 또는 정확하게 정의된 파형으로 존재하는 것이 아니라 "구름"으로 존재합니다. 기술 용어는 파동함수입니다. -각 전자가 위치 및 운동량 범위에 걸쳐 "확산"되거나 "번져" 있는 것처럼 확률 분포.
전자를 부정확한 구름으로 보는 이러한 급진적인 견해는 처음에는 양자화된 전자 상태의 원래 원리와 모순되는 것처럼 보입니다. 결국 이 발견은 그것을 설명하는 양자 이론의 형성으로 이어졌습니다. 전자의 이산 거동을 설명하기 위해 개발된 이론이 결국 전자가 개별 물질 조각이 아니라 "구름"으로 존재한다고 선언하는 것이 이상해 보입니다. 그러나 전자의 양자화된 거동은 위치와 운동량 값이 명확한 전자에 의존하는 것이 아니라 양자 수라고 하는 다른 속성에 의존합니다. . 본질적으로 양자 역학은 절대 위치와 절대 운동량에 대한 일반적 개념을 없애고 공통 경험에서 유사점이 없는 일종의 절대 개념으로 대체합니다.
전자가 개별적인 물질 덩어리가 아니라 분산된 확률의 미묘한 "구름과 같은" 형태로 존재하는 것으로 알려져 있지만 이러한 "구름"에는 다음과 같은 다른 특성이 있습니다. 이산. 원자의 모든 전자는 네 가지 수치로 설명할 수 있습니다(앞서 언급한 양자 수 ), 교장 , 각운동량 , 자기 , 및 회전 번호. 다음은 이러한 각 숫자의 의미에 대한 개요입니다.
1. 주요 양자 번호
주 양자수: n 문자로 기호화 , 이 숫자는 쉘을 설명합니다. 전자 "껍질"은 전자가 존재할 수 있는 원자핵 주변의 공간 영역으로, 드 브로이와 보어의 안정적인 "정재파" 패턴에 해당합니다. 전자는 껍질에서 껍질로 "점프"할 수 있지만 사이에는 존재할 수 없습니다. 쉘 지역. 주요 양자 수는 양의 정수(1 이상의 정수)여야 합니다. 즉, 전자의 원리양자수는 1/2 또는 -3이 될 수 없습니다. 이 정수 값은 임의로 얻은 것이 아니라 빛 스펙트럼의 실험적 증거를 통해 얻은 것입니다. 여기된 수소 원자에서 방출되는 빛의 다양한 주파수(색상)는 이전 그림에서 설명한 것처럼 특정 정수 값에 수학적으로 의존하는 시퀀스를 따릅니다.
각 껍질은 여러 전자를 담을 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 전자 껍질에 대한 비유는 원형 극장 좌석의 동심원 열입니다. 원형 극장에 앉아 있는 사람이 앉을 줄을 선택해야 하는 것처럼(하나는 사이에 앉을 수 없습니다. 열), 전자는 "앉을" 특정 껍질을 "선택"해야 합니다. 원형 극장 열에서와 같이 가장 바깥쪽 껍질은 내부 껍질보다 더 많은 전자를 보유합니다. 또한 원형 극장에 있는 사람들이 중앙 무대에서 가장 가까운 자리를 찾기 때문에 전자는 사용 가능한 가장 낮은 껍질을 찾는 경향이 있습니다. 껍질 번호가 높을수록 그 안에 있는 전자의 에너지가 커집니다.
껍질이 가질 수 있는 최대 전자 수는 방정식 2n 2 으로 설명됩니다. , 여기서 "n"은 주요 양자 수입니다. 따라서 첫 번째 껍질(n=1)은 2개의 전자를 보유할 수 있습니다. 두 번째 껍질(n=2)에는 8개의 전자가 있고 세 번째 껍질(n=3)에는 18개의 전자가 있습니다. (아래 그림)
원자의 전자 껍질은 이전에 숫자가 아닌 문자로 지정되었습니다. 첫 번째 껍질(n=1)은 K, 두 번째 껍질(n=2)은 L, 세 번째 껍질(n=3)은 M, 네 번째 껍질(n=4)은 N, 다섯 번째 껍질(n=5)은 레이블이 지정되었습니다. O, 여섯 번째 껍질(n=6) P, 일곱 번째 껍질(n=7) Q.
2. 각운동량 양자수
각운동량 양자수: 쉘은 하위 쉘로 구성됩니다. 어떤 사람은 서브쉘을 쉘의 단순한 세분화, 도로를 나누는 차선으로 생각하는 경향이 있을 수 있습니다. 서브쉘은 훨씬 낯설다. 서브쉘은 전자 "구름"이 존재하도록 허용되는 공간 영역이며, 다른 서브쉘은 실제로 다른 모양을 가지고 있습니다. 첫 번째 하위 껍질은 3차원에서 원자핵을 둘러싸고 있는 전자 구름으로 시각화할 때 의미가 있는 구(아래 그림) 모양입니다. 그러나 두 번째 하위 껍질은 원자 중심 근처의 단일 지점에서 함께 연결된 두 개의 "로브"로 구성된 덤벨과 비슷합니다. (아래 그림(p)) 세 번째 하위 껍질은 일반적으로 원자핵 주위에 뭉쳐진 4개의 "엽" 세트와 유사합니다. 이러한 서브쉘 모양은 안테나에서 다양한 방향으로 확장되는 구근 모양의 영역과 함께 무선 안테나 신호 강도의 그래픽 묘사를 연상시킵니다. (아래 그림(d))
유효한 각운동량 양자수는 주양자수와 같은 양의 정수이지만 0도 포함합니다. 전자에 대한 이러한 양자 수는 문자 l로 기호화됩니다. 껍질의 하위 껍질 수는 껍질의 주요 양자 수와 같습니다. 따라서 첫 번째 쉘(n=1)에는 번호가 0인 하나의 하위 쉘이 있습니다. 두 번째 쉘(n=2)에는 0과 1로 번호가 매겨진 두 개의 서브쉘이 있습니다. 세 번째 쉘(n=3)에는 0, 1, 2로 번호가 매겨진 세 개의 하위 쉘이 있습니다.
하위 쉘 설명에 대한 이전 규칙은 숫자 대신 문자를 사용했습니다. 이 표기법에서 첫 번째 서브쉘(l=0)은 s로, 두 번째 서브쉘(l=1)은 p로, 세 번째 서브쉘(l=2)은 d로, 네 번째 서브쉘(l=3)은 f로 지정했습니다. 이 문자는 sharp, principal(주 양자수 n과 혼동하지 말 것), diffuse, basic이라는 단어에서 유래했습니다. 원자의 가장 바깥쪽 또는 원자가 껍질의 전자 구성을 지정하는 데 사용되는 많은 주기율표에서 이 표기법을 여전히 볼 수 있습니다. (아래 그림)
(a) 은 원자의 보어 표현, (b) 쉘을 서브쉘로 분할한 Ag의 서브쉘 표현(각양자 수 l). 이 도표는 전자의 실제 위치에 대해서는 아무 것도 암시하지 않지만 에너지 준위를 나타냅니다.
3. 자기양자수
자기 양자 번호: 전자의 자기 양자 수는 하위 껍질 모양이 가리키는 방향을 분류합니다. 서브쉘의 "로브"는 여러 방향을 가리킵니다. 이러한 다양한 방향을 궤도라고 합니다. . 첫 번째 하위 껍질(s; l=0)의 경우 "방향"이 없는 구와 유사하므로 궤도가 하나만 있습니다. 덤벨과 유사한 각 쉘의 두 번째(p; l=1) 서브쉘은 가능한 세 방향을 가리킵니다. 원점에서 교차하는 3개의 덤벨을 생각해 보십시오. 각각은 3축 좌표 공간에서 서로 다른 축을 따라 방향이 지정되어 있습니다.
이 양자 수에 대한 유효한 숫자 값은 -l에서 l 사이의 정수로 구성되며 m으로 기호화됩니다. l 원자 물리학 및 l z 핵물리학에서. 주어진 서브쉘의 오비탈 수를 계산하려면 서브쉘 수를 두 배로 늘리고 1, (2·l + 1)을 더하세요. 예를 들어, 모든 껍질의 첫 번째 하위 껍질(l=0)에는 0으로 번호가 매겨진 단일 궤도가 있습니다. 모든 껍질의 두 번째 하위 껍질(l=1)에는 -1, 0, 1로 번호가 매겨진 3개의 궤도가 있습니다. 세 번째 하위 껍질(l=2)에는 -2, -1, 0, 1, 2로 번호가 매겨진 5개의 오비탈이 있습니다. 등등.
주요 양자수와 마찬가지로 자기 양자수는 이온화된 가스를 자기장에 노출시켜 스펙트럼선을 나누는 지만 효과(Zeeman effect)라는 실험적 증거에서 직접 생겨났기 때문에 "자기" 양자수라는 이름이 붙었습니다.
4. 스핀 양자수
스핀 양자수: 자기양자수와 마찬가지로 이러한 원자전자의 성질은 실험을 통해 밝혀졌다. 스펙트럼 선을 자세히 관찰한 결과 각 선은 실제로 매우 밀접하게 배치된 한 쌍의 선으로 이루어졌으며, 이를 미세 구조라고 합니다. 각 전자가 행성처럼 축에서 "회전"하는 결과로 가정되었습니다. 다른 "스핀"을 가진 전자는 여기될 때 약간 다른 주파수의 빛을 방출합니다. 이 양자 번호에 "스핀"이라는 이름이 할당되었습니다. 회전하는 전자의 개념은 이제 더 이상 사용되지 않으며 전자를 "구름"이 아닌 개별 물질 덩어리로 보는 (잘못된) 관점에 더 적합합니다. 하지만 이름은 남아 있습니다.
스핀 양자수는 m으로 기호화됩니다. s 원자 물리학 및 z 핵물리학에서. 각 껍질의 각 하위 껍질에 있는 각 궤도에는 두 개의 전자가 있을 수 있습니다. 하나는 스핀이 +1/2이고 다른 하나는 -1/2입니다.
물리학자 볼프강 파울리(Wolfgang Pauli)는 이러한 양자수에 따라 원자의 전자 순서를 설명하는 원리를 개발했습니다. 파울리 배제 원칙이라고 하는 그의 원칙 , 동일한 원자에 있는 두 개의 전자가 정확히 동일한 양자 상태를 차지할 수 없음을 나타냅니다. 즉, 원자의 각 전자는 고유한 양자수 집합을 가지고 있습니다. 이것은 주어진 오비탈, 서브쉘 및 쉘을 차지할 수 있는 전자의 수를 제한합니다.
다음은 수소 원자의 전자 배열입니다.
핵에 하나의 양성자가 있으면 원자의 정전기적 균형을 유지하는 데 하나의 전자가 필요합니다(양성자의 양전하가 전자의 음전하와 정확히 균형을 이룸). 이 전자 하나는 가장 낮은 껍질(n=1), 첫 번째 하위 껍질(l=0), 해당 하위 껍질(ml)의 유일한 궤도(공간 방향)에 있습니다. =0), 스핀 값은 1/2입니다. 이 조직을 설명하는 일반적인 방법은 분광 표기법이라는 규칙에 따라 전자를 껍질과 하위 껍질에 따라 나열하는 것입니다. . 이 표기법에서 쉘 번호는 정수로, 서브쉘은 문자(s,p,d,f)로, 서브쉘의 총 전자 수(모든 궤도, 모든 스핀)는 위 첨자로 표시됩니다. 따라서 기본 수준에 있는 고독한 전자를 가진 수소는 1s 1 로 설명됩니다. .
다음 원자(원자 번호 순서)로 진행하면 헬륨 원소가 있습니다.
헬륨 원자는 핵에 2개의 양성자를 가지고 있으며 이중 양전하의 균형을 맞추기 위해 2개의 전자가 필요합니다. 두 개의 전자(하나는 스핀=1/2이고 다른 하나는 스핀=-1/2)는 하나의 오비탈에 들어맞기 때문에 헬륨의 전자 구성은 두 번째 전자를 보유하기 위해 추가 하위 껍질이나 껍질이 필요하지 않습니다.
그러나 3개 이상의 전자가 필요한 원자는 할 2개의 전자만 가장 낮은 껍질(n=1)에 들어갈 것이기 때문에 모든 전자를 담기 위해 추가 하위 껍질이 필요합니다. 원자 번호가 증가하는 순서에서 다음 원자인 리튬을 고려하십시오.
리튬 원자는 L 껍질(n=2) 용량의 일부를 사용합니다. 이 껍질은 실제로 총 8개의 전자 용량을 가지고 있습니다(최대 껍질 용량 =2n 2 전자). 완전히 채워진 L 껍질을 가진 원자의 조직을 조사하면 하위 껍질, 궤도 및 스핀의 모든 조합이 전자에 의해 어떻게 채워지는지 알 수 있습니다.
원자에 대해 분광 표기법이 주어지면 완전히 채워진 껍질은 생략되고 채워지지 않은 또는 가장 높은 수준의 채워진 껍질이 표시되는 경우가 많습니다. 예를 들어, 두 개의 껍질이 완전히 채워진 네온(이전 그림 참조) 요소는 분광학적으로 간단히 2p 6 으로 설명될 수 있습니다. 1초 2 가 아닌 2초 2 2p 6 . K 껍질이 완전히 채워지고 L 껍질에 전자가 하나 있는 리튬은 간단히 2s 1 로 설명할 수 있습니다. 1초 2 가 아닌 2초 1 .
완전히 채워진 낮은 수준의 쉘이 생략된 것은 단지 표기상의 편의가 아닙니다. 또한 화학의 기본 원리를 설명합니다. 즉, 원소의 화학적 거동은 채워지지 않은 껍질에 의해 주로 결정된다는 것입니다. 수소와 리튬은 모두 가장 바깥쪽 껍질에 단일 전자를 가지고 있습니다(1s 1 및 2초 1 , 각각), 두 요소에 몇 가지 유사한 속성을 부여합니다. 둘 다 반응성이 높으며 거의 같은 방식으로 반응성이 있습니다(유사한 모드에서 유사한 요소에 결합). 리튬이 거의 비어 있는 L 껍질 아래에 완전히 채워진 K 껍질을 가지고 있다는 것은 별로 중요하지 않습니다. 채워지지 않은 L 껍질은 화학적 거동을 결정하는 껍질입니다.
외부 쉘이 완전히 채워진 요소는 고귀한으로 분류됩니다. , 그리고 다른 원소들과 거의 완전한 비반응성으로 구별된다. 이러한 요소는 이전에 비활성으로 분류되었습니다. , 이들은 완전히 반응성이 없다고 생각되었지만 현재는 특정 조건에서 다른 원소와 화합물을 형성하는 것으로 알려져 있습니다.
가장 바깥쪽 껍질(들)에 동일한 전자 배열을 가진 원소가 유사한 화학적 성질을 나타내기 때문에 Dmitri Mendeleev는 그에 따라 표에 다른 원소를 정리했습니다. 이러한 표를 원소 주기율표라고 합니다. , 최신 테이블은 아래 그림의 일반적인 형식을 따릅니다.
화학 원소 주기율표
원소 주기율표를 최초로 개발한 사람은 러시아의 화학자 드미트리 멘델레예프(Dmitri Mendeleev)입니다. 멘델레예프는 원자 번호가 아닌 원자 질량에 따라 표를 정리하고 현대 주기율표만큼 유용하지 않은 표를 생성했지만 그의 발전은 과학적 증거의 훌륭한 예입니다. 주기성 패턴(원자 질량에 따른 유사한 화학적 특성)을 보고 멘델레예프는 모든 요소가 이 정렬된 체계에 맞아야 한다는 가설을 세웠습니다. 그는 테이블에서 '빈' 자리를 발견했을 때 기존 질서의 논리에 따라 지금까지 발견되지 않은 요소의 존재를 가정했습니다. 이러한 원소의 후속 발견은 멘델레예프의 가설에 과학적 정당성을 부여하여 미래의 발견을 촉진하고 오늘날 우리가 사용하는 주기율표의 형태로 이어집니다.
이것이 과학이 해야 하는 방식입니다. 작업:가설은 논리적 결론을 따르고 실험 데이터가 해당 결론에 동의하는 대로 결정된 대로 수락, 수정 또는 거부됩니다. 어떤 바보라도 사후에 기존 실험 데이터를 설명하기 위해 가설을 세울 수 있으며 많은 사람들이 그렇게 합니다. 임시와 과학적 가설을 구분하는 요소 추측은 아직 수집되지 않은 미래의 실험 데이터에 대한 예측이며 그 데이터의 결과로 반증 가능성이 있습니다. 대담하게 가설을 논리적 결론까지 따르고 감히 미래 실험의 결과를 예측하는 것은 독단적인 믿음의 도약이 아니라 그 가설에 대한 공개 테스트이며, 모순되는 데이터를 생성할 수 있는 사람이라면 누구나 도전할 수 있습니다. In other words, scientific hypotheses are always “risky” due to the claim to predict the results of experiments not yet conducted, and are therefore susceptible to disproof if the experiments do not turn out as predicted. Thus, if a hypothesis successfully predicts the results of repeated experiments, its falsehood is disproven.
Quantum mechanics, first as a hypothesis and later as a theory, has proven to be extremely successful in predicting experimental results, hence the high degree of scientific confidence placed in it. Many scientists have reason to believe that it is an incomplete theory, though, as its predictions hold true more at micro physical scales than at macro scopic dimensions, but nevertheless it is a tremendously useful theory in explaining and predicting the interactions of particles and atoms.
As you have already seen in this chapter, quantum physics is essential in describing and predicting many different phenomena. In the next section, we will see its significance in the electrical conductivity of solid substances, including semiconductors. Simply put, nothing in chemistry or solid-state physics makes sense within the popular theoretical framework of electrons existing as discrete chunks of matter, whirling around atomic nuclei like miniature satellites. It is when electrons are viewed as “wave functions” existing in definite, discrete states that the regular and periodic behavior of matter can be explained.
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전자 방출의 기본 개념 특정 외부 에너지를 이용하여 물질 표면에서 주변으로 전자를 방출하는 현상을 전자 방출이라고 합니다. 우리는 모든 금속이 결정 형태로 서로 매우 밀접하게 연결된 원자로 구성되어 있기 때문입니다. 모든 전자는 원자 효과에 의해 제한됩니다. 전자 장치는 자유 전자를 사용하여 전류를 자체적으로 흐릅니다. 원자가 전자는 마지막 껍질에서 회전하는 전자입니다. 이 전자는 금속에 묶여 있습니다. 물질 표면에서 빠져나가려면 충분한 외부 에너지가 필요합니다. 이제 표면 전자가 0c°에서 물질 표면에서 방출하는 데 필요한 최