전자공학-1, 궤도 전자의 회전운동

궤도 전자의 회전운동

 

 

목차소개

1 결정체 성질과 반도체 결정의 성장
2 원자와 전자
3 에너지 대역과 반도체에서의 전하 캐리어
4 반도체의 과잉 캐리어
5 접합
6 전계효과 트랜지스터
7 쌍극성 접합 트랜지스터
8 광전자소자
9 집적회로
10 고주파 및 고전압 소자

<yes24 펌>

 

원자와 전자

모든 물질은 원자로 이루어지고 또 모든 원자는 양전하를 가진 원자핵과, 원자핵을 주위를 돌고 있는 음전하를 가진 전자라는 작은 입자로 구성되어 있다.

원자핵은 양(+)으로 대전된 양자(Proton)라는 입자와 비 대전된 중성자(neutron)가 결합된 구조로 되어있다.

세상에 알려진 109개 각각의 원소는 원자들을 갖고 있으며, 그 원자들의 구조는 서로 다르다.

원자는 화학 원소로서의 특성을 잃지 않는 물질의 최소 입자이다.

전자들은 에너지를 흡수 또는 방출하지 않으면 원자핵으로부터 이산적으로 떨어져 있는 궤도를 무한히 등속 원운동을 한다.

원자핵 구조

예> 수소원자의 경우, 하난의 전자와 하나의 양자로 구성되어 있다.

헬륨 원자는 두 개의 원자와 두개의 중성자로 구성된 원자핵과 그 주위를 돌고있는 두개의 전자로 구성되어 있다.

 

헬륨원자

보어의 원자 모형 가설

• 원자의 전자는 특정한 궤도만 돌 수 있다.
• 원자 속의 전자는 각운동량이 h2πh2π의 정 수 배인 궤도만을 안정된 상태로 돌 수 있다. (정상상태 가설)
• 안정된 상태의 전자 궤도 사이를 넘나들 떼에는 그 차이에 해당하는 에너지 값을 가진 광자를 방출하거나 흡수한다.(진동수 가설)
• 전자는 핵으로부터 이산적으로 떨어진 특정한 궤도들에서는 전자기 복사를 방출하지 않으면 안정적으로 공전함
• 전자는 오직 한 꿰도에서 다른 궤도로 전이할 때만 에너지를 방출하거나 흡수함

 

보어

 

보어(Niels H. D. Bohr: 1885~1962)

덴마크의 물리학자로서 양자역학의 발전에 큰 역할을 하였다. 보어는 1913년 새로운 원자의 허용궤도와 광자의 방출에 대한 가설로 수소원자의 스펙트럼을 정확하게 설명할 수 있었고, 이로부터 물질의 양자화에 대한 새로운 이론이 비롯되었다. 이 업적으로 1922년 노벨물리학상을 받았다.

 

보어 이론의 문제점 및 새로운 모델

 

• 1913년에 보어는 그의 모델을 파동적 해석을 통해 밝히지 않고 정당화시켰다. 즉 전자와 같은 입자가 파동과 같이 행동할 수 있다는 가능성이 제기되지 않았다.
• 1925년에, 새로운 종류의 역학인 하이젠 버그에 의한 양자역학에서 양자화된 전자가 움직이는 보어의 모델이 양자 역학을 통해 조금 더 정확한 모델로 확장될 수 있었다.
• 똑같은 이론의 다른 형태인 파동 역학이 오스트리아 출신의 물리학자 슈뢰딩거의 독립적인 연구 과정을 통해 확립되었다.
• 슈뢰딩거는 드 브로이의 물질파 이론을 도입하였으나, 양전하의 핵 전하 때문에 전자의 움직임을 묘사하는 3차원의 파동 방정식은 수소-유사 원자들에 대해서만 한정하였다.

 

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궤도 전자

• 원자 내에 존재하는 원자핵의 바깥에서 궤도 운동을 하는 전자로 핵외 전자(核外電子)라고도 한다.
• 중성 원자의 경우 궤도 전자의 개수는 핵의 양자수와 같다
• 궤도 전자의 가감에 따라 원소 원자의 양이온 또는 음이온이 만들어진다.
• 원소의 주기율은 궤도전자 상태의 껍질 구조로 설명할 수 있는데, 가장 바깥쪽 껍질에 속하는 전자가 원자의 원자가를 결정하기 때문에 원자가 전자(原子價電子)라고도 한다.
• 일반적으로 어떠한 원자의 물리, 화학적 성질들은 궤도 전자의 상태 배치에 따라 결정된다.

주기율표

전자의 에너지 방출 흡수관계

 

Stern-Gerlach 실험 Experiment

• 막대자석의 자장 내에 못이 있으면 이 못은 자석이 된다. 따라서 다른 자석이 있다고 가정함
• 두 자석 사이에 N극이 S극을 당기는 것과 N극이 N극을 미는 힘 중에서 S가 더 가까이 있으므로 당기는 힘이 미는 힘보다 크다.
• 만약 자장이 균일하다면 위의 두 힘이 같아져 서로 당기지 않을 것이다 즉, 막대자석이 만들어내는 자기장이 균일하지 않은 것이 자석과 자석이 끌리는 이유이다 (중력의 경우 조력에 해당)
• 한편, 전하를 가진 입자가 각운동량(스핀) 을 가지면 그 입자는 작은 막대자석이 된다.
• 실험에서 불균일한 자기장에 전자를 통과 시켰을 때, 전자가 받는 힘의 크기는 전하와 스핀(Sz)의 곱에 비례 한다
• 스핀이 양자화가 되지 않았다면 그냥 희미하게 스크린에 모든 전자가 퍼져있을 것이다. 그러나 가운데에는 아무것도 없고 두 군데로 나뉘는 것은 전자의 spin( ) 의 크기 이 ½ħ이라는 증거이다.

 

전자의 회전 운동

• 원자핵은 + 성질을, 전자는 - 성질을 가지므로, 둘 사이의 인력에 의해 충돌하게 됨
• 전자의 회전운동으로 추락에 의한 충돌을 발생하지 않음
• 이 전자의 회전운동 시, 에너지를 방출 또는 흡수하지 않으면, 전자는 일정한 궤도를 돌게 됨
• 전자의 회전운동 시, 에너지를 흡수하면, 이때 궤도 전자는 원자핵을 이탈할 수 있으면, 이를 자유전자라 부름