전자는 왜 원자핵으로 끌려 들어가지 않고 궤도를 유지하나요?

Question

화학에서 원자 모형을 배우는데, 양전하를 띤 원자핵과 음전하를 띤 전자가 서로 끌어당길 텐데 왜 전자가 핵으로 빨려 들어가지 않고 일정한 궤도(전자껍질)를 유지하는 건지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

양전라를 띈 원자핵과 음전하를 띈 전자가 서로 당기는데도 전자가 핵으로 떨어지지 않는 이유는 전자가 단순한 알갱이가 아니라 파동의 성질을 가지고 있기 때문이죠. 양자역학에 따르면은 전자는 특정 궤도에서 물질파라는 파동 형태로 존재합니다. 그래서 핵 주변에 안정적인 에너지를 가진 정상파를 형성하죠. 그렇게 궤도를 유지합니다. 만약에 전자가 핵과 완전히 붙어 버린다고 가정을 해 볼게요. 그러면 위치가 너무 정확해져서 오히려 전자의 속도와 에너지가 무한대로 커질 겁니다. 그렇기 때문에 일정한 공간을 차지하면서 존재할 수밖에 없는 거죠. 즉 미시 세계에서는 거시 세계의 직관과 다릅니다. 전자가 에너지를 잃지 않고 특정한 확률로 구름처럼 퍼져서 존재하면서 원자핵 주위를 안정적으로 유지한다고 이해해 주시면 좋을 것 같습니다.

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

전자는 거시세계의 역학 대신 미시세계를 지배하는 양자역학을 따르며 입자이자 파동인 파동 입장 이중성을 가지기 때문에 정상파 조건에 맞는 특정 불연속적인 궤도에만 존재할 수 있습니다 만약 전자가 원자핵과 완전히 결합하려고 하면 하이젠베르크의 불확정성 원리에 의해 위치가 극도로 제한되는 만큼 운동량이 무한히 커져 튕겨 나가므로 물리적으로 핵과 일정한 거리를 유지하는 최저 에너지 상태가 존재하게 됩니다 즉 전자는 핵 주위의 궤도에 갇혀 도는 것이 아니라 특정 확률 분포로 존재하며 우주가 허용하는 가장 안정적인 최소한의 공간적 거리를 유지하는 것입니다

Answer 3

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

전자가 원자핵으로 그냥 빨려들어가지 않는 이유는 전자가 작은 공처럼 핵 주위를 도는 존재가 아니기 때문입니다.

고전적으로 생각한다면 음전하 전자가 양전하 핵에 끌려 결국에는 떨어질 것 같지만, 원자 안에서는 양자역학의 법칙이 적용됩니다. 전자는 정확한 위치와 속돌르 동시에 딱 정할 수가 없는데, 그래서 핵 주변에 퍼진 파동이나 구름 같은 상태로 존재합니다.

이때 전자는 아무 에너지나 가질 수 있는 것이 아닌 정해진 에너지 상태, 즉 전자껍질이나 오비탈에만 있을 수가 있게됩니다. 만약에 전자를 핵 안에 아주 좁게 가둬두려면 위치는 정확해 질 수 있을지언정 운동에너지가 커지기 때문에 오히려 안정하기가 어렵게 됩니다. 그래서 전자는 핵에 끌리면서도 가장 낮고 안정한 에너지 ㅅ상태에서 일정한 분포를 이루면서 존재한다고 이해하시면 되겠습니다.