원자 에너지 준위

원자는 존재하는 모든 물질의 구성 요소입니다. 이러한 원자들에는 (도 1에서 N)으로 표시된 중심 부분인 핵이 있으며, 이 핵은 양성자와 중성자로 구성되어 있고, 그 주변을 전자가 돌고 있습니다. 다음으로, 고려되는 물질을 구성하는 모든 전자가 동일한 경로를 따라 회전하지는 않는다는 점에 주목해야 합니다. 그러나 이는 그들의 회전 경로가 임의적일 수 있다는 의미는 아닙니다. 즉, 특정 원자의 각 전자는 자신의 전용 경로, 즉 궤도를 가지고 있으며, 이를 따라 중심 핵을 둘러싸고 회전합니다. 이러한 궤도는 원자의 에너지 준위로 알려져 있습니다.

이는 각각의 전자가 적분의 정수 배로 표현되는 일정량의 에너지를 소유하기 때문입니다.
여기서 h는 플랑크 상수이고, υ는 주파수입니다.

도 2는 전자볼트(eV)로 표현된 다양한 에너지 상태(그리고 그 안에 있는 모든 전자)가 가지는 유한한 에너지를 보여줍니다. 도면에서 볼 수 있듯이, 전자의 에너지는 원자의 중심으로부터 멀어질수록 증가합니다. 예를 들어, 첫 번째 에너지 상태(E1)에 있는 전자는 -13.6 eV의 에너지를, 두 번째 상태(E2)에 있는 전자는 -3.4 eV의 에너지를 가집니다. 이렇게 계속 진행하면, 에너지가 0 eV가 되는 수준, 즉 E∞ 에너지 준위에 도달할 수 있습니다.

이제 우리가 외부 에너지(빛을 포함한 어떤 방식이든)를 물질에 공급한다고 가정해봅시다. 이 공급된 에너지는 물질을 구성하는 원자 속의 전자들에 의해 흡수됩니다. 그러나 전자는 자신이 원하는 만큼의 에너지를 자유롭게 흡수할 수 없습니다. 이는 전자가 에너지를 흡수하면 그 총 에너지가 변하기 때문입니다. 이는 다시 말해, 전자가 더 이상 원래의 에너지 준위에 머물 수 없다는 것을 의미합니다. 예를 들어, E1 에너지 상태에 있는 전자가 4 eV의 에너지를 흡수한다면, 그 총 에너지는
으로 증가하여, -13.6 eV의 에너지를 가진 E1 에너지 준위에 머물 수 없게 됩니다. 또한, 그와 같은 에너지를 가진 다른 준위를 찾을 수 없으므로, 그 경로를 잃게 됩니다.

반면에, 이 전자가 10.2 eV의 에너지를 흡수한다면, 그 증가된 에너지는 다음과 같습니다.

이는 E2 에너지 상태가 가진 에너지와 동일하므로, E1 에너지 상태에 있던 전자가 이제 E2 에너지 상태에 있게 됩니다. 즉, 이 전자는 E1 에너지 상태에서 E2 에너지 상태로 전이하게 되며, 이는 원자가 자극된 상태를 의미합니다. 그러나 이 전자는 오랜 시간 동안 이 불안정한 상태에 머무르지 않습니다. 곧 E2 에너지 상태에서 E1 에너지 상태로 전이하면서 원래 상태로 돌아갑니다. 그러나 여기에서 중요한 점은, 이 과정에서 전자가 10.2 eV(흡수한 에너지와 동일)의 에너지를 전자기파 형태로 방출한다는 것입니다.

위의 논의에서 알 수 있듯이, 전자는 양자화된 에너지만을 흡수하거나 방출할 수 있습니다. 이 에너지의 양은 전이가 발생하는 준위들 사이의 에너지 차이입니다. 다음으로, 도 2에서 볼 수 있듯이, 이 에너지 상태들 사이의 차이는 E1로부터 멀어질수록 감소합니다. 즉, ...

즉, 가장 바깥쪽 껍질에 있는 전자들은 내부 껍질에 있는 전자들보다 적은 에너지를 필요로 하여 자극받습니다. 이것은 원자핵 근처에 있는 전자들이 원자핵과 강하게 결합되어 있기 때문입니다. 이러한 자유 전자들은 금속과 같은 물질에서 전도에 기여합니다.

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