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의생명공학/유기화학

원자의 전자 구조와 양자수_Quantum Numbers

by 오머리쿠_OmaryKoo 2025. 1. 28.
이미지출처_The Structure of the Atom – Introductory Chemistry

1. 원자의 내부 구조와 전자 분포

원자는 중심에 양성자를 포함한 원자핵을 가지고 있으며, 전자는 여러 개의 에너지 준위를 따라 배치된다. 이러한 전자들은 특정한 에너지 준위(n)에 따라 배치되며, 이를 통해 원자의 전자 구조를 이해할 수 있다.


2. 양자수

전자들의 에너지 상태와 공간적인 분포를 설명하기 위해 4개의 양자수(Quantum Numbers)가 사용된다.

이미지출처_Quantum Numbers: Definition, Examples, and Chart

 

  • 주 양자수(n): 전자의 에너지 준위를 결정 (n = 1, 2, 3, ... )
  • 부양자수(l): 각운동량을 결정하며, 오비탈의 형태를 규정 (l = 0, 1, ..., n-1)
  • 자기 양자수(m_l): 자기장의 영향을 받아 전자의 오비탈 방향을 결정 (m_l = -l ~ +l)
  • 스핀 양자수(m_s): 전자의 회전 방향을 나타냄 (m_s = +1/2, -1/2)

3. 주 양자수 (n)

주 양자수(n)_Principal quantum number는 전자의 에너지 준위를 나타내며, 값이 증가할수록 전자의 평균 거리가 커지고, 에너지가 증가한다.

이미지출처_Principal Quantum Number: Definition, Determination, & Value

 

  • n = 1: 1s 오비탈
  • n = 2: 2s, 2p 오비탈
  • n = 3: 3s, 3p, 3d 오비탈

4. 부양자수 (l)와 오비탈 형태

각 주 양자수(n)에 대해 부양자수(l)_Azimuthal quantum number는 0부터 (n-1)까지 가질 수 있으며, 이는 오비탈의 형태를 결정한다.

이미지출처_Azimuthal Quantum Number - Definition, Subsidiary And Angular Momentum Quantum Numbers

 

  • l = 0: s 오비탈 (구형)
  • l = 1: p 오비탈 (아령 모양, 3가지 방향)
  • l = 2: d 오비탈 (5가지 방향)
  • l = 3: f 오비탈 (복잡한 형태)

5. 자기 양자수 (m_l)와 오비탈 방향

각 부양자수(l)에 따라 자기 양자수(m_l)_Magnetic quantum number는 -l에서 +l까지의 정수 값을 가진다. 이는 전자가 존재할 수 있는 공간적 방향을 의미한다.

이미지출처_Magnetic Quantum Number: Definition, Symbol, and Value

 

  • l = 1 (p 오비탈) → m_l = -1, 0, 1 (3가지 방향)
  • l = 2 (d 오비탈) → m_l = -2, -1, 0, 1, 2 (5가지 방향)

6. 스핀 양자수 (m_s)

전자들은 스핀(m_s)_Spin quantum number이라는 성질을 가지며, 이는 자기적 성질을 나타낸다. 두 개의 가능한 스핀 상태는 다음과 같다.

이미지출처_Spin Quantum Number: Definition, Significance, and Value

 

  • m_s = +1/2 (상향 스핀)
  • m_s = -1/2 (하향 스핀)

한 오비탈에는 두 개의 전자만이 반대 스핀을 가지며 존재할 수 있다.


7. 전자 배치의 규칙

전자들은 특정한 규칙을 따라 오비탈에 배치된다.
 

  1. 에너지 최소화 원리: 전자는 에너지가 가장 낮은 오비탈부터 채워진다. (1s < 2s < 2p < 3s < 3p ...)
  2. 파울리 배타 원리: 한 오비탈에는 최대 두 개의 전자만 존재할 수 있으며, 서로 반대 스핀을 가져야 한다.
  3. 훈트의 규칙: 같은 에너지 준위 내에 다수의 오비탈이 있을 경우, 전자는 가능한 한 독립적으로 배치되며, 이후에 짝을 이룬다.

8. 다전자 원자의 전자 배치 순서

다전자 원자의 경우, 전자 배치는 다음과 같은 순서로 진행된다.
 

1s < 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p ...

 
이를 통해 원소의 전자 배치를 결정할 수 있으며, 이는 주기율표에서 원소의 화학적 성질을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.


9. 원소들의 전자 배치 예시

원소원소번호전자배치
H (수소)11s¹
He (헬륨)21s²
Li (리튬)31s² 2s¹
Be (베릴륨)41s² 2s²
B (붕소)51s² 2s² 2p¹
C (탄소)61s² 2s² 2p²
N (질소)71s² 2s² 2p³
O (산소)81s² 2s² 2p⁴
F (플루오린)91s² 2s² 2p⁵
Ne (네온)101s² 2s² 2p⁶

 


10. 원자가 전자

원자가 전자(Valence Electrons)는 원자의 최외각 전자를 의미하며, 화학 반응에서 중요한 역할을 한다. 주기율표에서 각 족에 따라 원자가 전자의 수가 결정된다.
 

1A2A3A4A5A6A7A
원자가 전자 수1234567
 
이러한 개념들은 원자의 전자 구조를 이해하고, 화학 결합 및 반응성을 설명하는 데 중요한 기초를 제공한다. 유기화학을 배우는 데 있어서 이러한 전자 배치 원리를 잘 이해하는 것이 중요하다.

<출  처>
 

The Structure of the Atom – Introductory Chemistry

24 The Structure of the Atom LumenLearning Overview of Atomic Structure Atoms are made up of particles called protons, neutrons, and electrons, which are responsible for the mass and charge of atoms. LEARNING OBJECTIVES Discuss the electronic and structura

uen.pressbooks.pub

 
 

Quantum Numbers: Definition, Examples, and Chart

Quantum numbers explained with examples. How many are there. What do they represent and describe. Learn their meaning and significance.

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What Does Principal Quantum Number Determine? - PSIBERG

The principal quantum number is related to the energy and size of the atomic orbits. [...]

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Azimuthal Quantum Number - Definition, Subsidiary And Angular Momentum Quantum Numbers

Azimuthal quantum number is the quantum number associated with the angular momentum of an atomic electron. Click here to understand what is angular momentum quantum numbers

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Magnetic Quantum Number: Definition, Symbol, and Value

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Spin Quantum Number: Definition, Significance, and Value

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