다전자 원자에서는 왜 에너지 준위가 달라지나요?

Question

안녕하세요. 전자를 하나만 가지고 있는 수소 원자에서 2s 오비탈과 2p 오비탈은 에너지가 같지만, 다전자 원자에서는 왜 에너지 준위가 달라지는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 네 말씀해주신 것과 같이 수소 원자(H)에서는 2s, 2p 오비탈이 같은 에너지를 갖는 반면, 다전자 원자에서는 이들이 달라지게 되는데요 우선 수소 원자는 전자가 하나뿐이라, 전자가 느끼는 인력은 단순히 원자핵(양성자)에서 오는 쿨롱 인력뿐입니다. 따라서 에너지는 오직 주양자수 에만 의존하며, 같은 n을 가진 오비탈은 축퇴된 상태입니다.

반면에 다전자 원자는 전자가 여러 개 있어서, 단순히 핵과 전자 사이만 고려할 수 없고, 전자-전자 반발을 함께 고려해야 하는데요, 이로 인해 에너지 준위는 n뿐 아니라 부양자수(l)에도 의존하게 되며 이때 다전자 원자에서 전자들은 서로 반발합니다. 원자핵에 가까운 전자들은 바깥 전자들이 느끼는 인력을 차폐하여, 바깥 전자가 실제로 느끼는 유효 핵전하를 줄이고 이때, 오비탈의 모양(l 값)에 따라 차폐의 정도가 다릅니다. 또한 s 오비탈은 원자핵 가까이에 전자밀도가 높아 핵전하를 더 강하게 느끼며 반면에 p, d, f 오비탈은 상대적으로 침투성이 작아 핵전하를 덜 느끼게 됩니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

다전자 원자에서 2s, 2p 오비탈의 에너지 준위가 달라지는 이유는 전자간의 상호작용으로 인해 발생하는 가리움 효과 때문입니다.

수소원자는 전자가 하나 뿐이라 양성자와 전자 사이의 인력만 존재하여 2s sp 오비탈의 에너지는 같습니다. 하지만 다전자 원자의 경우 전자가 두가이 이상이므로 양성자와 전자 사이의 인력외에 전자간의 반발력이 작용하기에 오비탈 간의 에너지 준위가 달라지게 되는 것 입니다.

또한 양성자와 가까이 있는 전자와 멀리 있는 전자의 인력의 차이는 가까이 있는 전자가 양성자의 인력을 가려주기에 최외각 전자의 활성화 에너지는 높아집니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)