동일한 종류의 오비탈에 대해서 원자번호가 커질수록 에너지 준위는 낮아지는 이유가 무엇인가요?

Question

안녕하세요. 동일한 종류의 오비탈에 대해서, 예를 들자면 2s 오비탈에 대해서 원자번호가 커질수록 에너지 준위는 낮아지는 이유가 무엇인지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김지호 전문가입니다.

질문하신 동일한 종류의 오비탈, 예를 들어서 2s 오비탈에서 원자번호가 커질수록 에너지 준위가 낮아지는 이유는 핵전하(양성자 수)의 증가와 전자 차폐 효과의 상대적 한계 때문입니다.

전자 하나가 실제로 느끼는 핵의 인력은 단순히 핵전하로만 결정되지 않는데요, 내부 전자들이 외부 전자를 어느 정도 차폐하기 때문에, 실제로 느끼는 인력은 줄어듭니다.

예를 들어 2s 오비탈에 속한 전자를 생각해 보면 리튬(3), 베릴륨(4), 붕소(5), … 네온(10)으로 갈수록, 핵전하 는 점점 증가합니다. 하지만 차폐효과 는 그만큼 충분히 증가하지 못하는데요, 같은 전자껍질 내 전자들은 서로를 완전히 차폐하지 못하기 때문입니다. 결과적으로, 전자는 점점 더 강한 핵 인력을 느끼게 됩니다.

이때 오비탈의 에너지는 전자가 핵으로부터 얼마나 강하게 끌리는가에 의해 결정되는데요, 핵과 가까워지고 인력이 커질수록 전자는 더 안정된 상태에 있게 됩니다. 따라서 동일한 오비탈에 대해서도, 원자번호가 커지면 전자가 핵에 더 강하게 묶여 에너지 준위가 낮아집니다. 감사합니다.