[쉽게 풀어쓰기] 전자는 어떻게 운동할까? - 오비탈 궤도함수

앞에서 전자의 실제 운동하는 모습을 완벽히 관찰할 수 없음을 보았습니다.

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그럼 전자는 어디에 있을까요?

과학자들은 전자의 완벽한 위치는 측정할 수 없지만, 수학적으로 전자가 어디에 존재하는지

궤도함수를 만들었어요. 전자가 어딘가에 존재할 확률이 얼마다, 하고요.

이를 오비탈이라 부르고, 전자의 궤도함수를 뜻합니다.

오비탈은 이미 정해져있고, 전자의 개수가 늘어남에 따라 특정한 궤도에 전자가 채워져가요.

이때 전자가 채워지는 규칙을 발견했어요. 그게 파울리의 배타원리와 훈트의 규칙이에요.

그건 다음에 자세히 설명하도록 하고, 여튼 전자들은 몇몇 규칙에 따라 원자핵 주위에 존재하게 돼요.

예를 들면, s오비탈이라는 궤도함수는 이렇게 생겼어요.

빨간부분이 양성자에요. 분홍색으로 뿌옇게 칠해진 부분들을 s오비탈이라 불러요.

s오비탈은 구형인데, 슈뢰딩거 방정식을 수학적으로 풀다보니 구형일 수 밖에 없음을 알게 되었어요.

s오비탈도 에너지 준위에 따라 1s, 2s, 3s.. 쭉 있어요. 이는 파울리의 배타원리와 훈트의 규칙에서 자세히 볼꺼에요.

그럼 이 s오비탈 그림이 의미하는 바가 뭘까요? 저 분홍색 영역에 전자가 존재할 확률이 높음(90%이상)을 뜻해요.

즉, 저기에 반드시 전자가 있다는 의미가 아닙니다. 저것보다 좀 더 멀리 있을 확률도 있지요.

오비탈 하나에는 전자가 2개까지 들어갈 수 있으므로, 전자 최대 2개까지가 저 영역에 속해있을 가능성이 높아요.

그럼 전자가 양성자 주위를 뱅뱅 돌고있을까요? 과학적으로는 저 영역 어딘가에 그냥 존재하는 거에요.

궤도라 하기에 마치 태양 주위를 행성이 도는것처럼 전자가 양성자 주위를 도는것처럼 생각하게 되지만

그냥 존재할 확률일 뿐이므로 돈다고 말하는건 정확하지 않아요.

p오비탈은 이렇게 생겼어요.

p오비탈은 총 3방향으로 생길 수 있어요. 3차원이므로 x,y,z축은 상대적이에요. 첫번째 그림을 z축방향으로 생긴거라고 정하면,

두번째 그림은 y축, 세번째 그림은 x축 방향으로 생긴게 되겠네요. 방향은 기준에 따라 상대적으로 정해지니까요.

이 세가지 오비탈을 합해서 p오비탈이라 해요. 즉, p오비탈에는 전자가 2+2+2 총 6개 들어갈 수 있겠네요.

s오비탈에서와 마찬가지로 p오비탈 그림도 전자가 존재할 확률을 그린거에요.

실제로는 각 오비탈마다 전자가 2개 존재하지만, 확률적으로는 저 영역 전체에 분포하는 것 처럼 생각하게 돼요.

무협만화에서 엄청난 속도로 움직이면 막 잔상이 생겨서 여러명으로 보이듯이,

팽이에 점하나만 찍어놓고 돌려도 팽이에 줄이 그려진 듯이 보이듯이

전자 2개가 존재하지만 저 영역 전체에 분포한다고 생각하게 돼요.