원자 오비탈 · 전자 구름

원자 오비탈 3차원 시연: 전자 구름을 점마다 “노출”하고, s/p/d/f 오비탈의 모양과 위상, 동경 분포와 마디, 쌓음 원리에 따라 전자를 하나씩 채우기, 1–36번 원소의 전자 배치와 양자수를 다룹니다.

과목: 화학 · 대상: 고등학교, 대학교 · 학습 내용: 전자 구름, 오비탈 모양, 쌓음 원리, 양자수

단원 내용

전자의 위치와 속도를 동시에 확정할 수는 없고, 전자가 어느 곳에 있을 확률만 말할 수 있습니다.

무대 위의 점 하나는 “측정”으로 기록된 전자의 위치입니다. 기록이 늘수록 점의 빽빽함이 확률 밀도 |ψ|²를 더 분명히 보여 줍니다. 이것이 전자 구름입니다.

점이 빽빽한 곳은 전자가 나타날 확률이 큰 곳이지, 전자가 많은 곳이 아닙니다.

전자가 나타날 확률이 90%인 영역을 둘러싸면, 그 곡면이 흔히 말하는 원자 오비탈 모양입니다.

s 오비탈은 구형입니다. p 오비탈은 아령형으로 x, y, z 방향에 하나씩 있습니다. d 오비탈은 대부분 네 잎 클로버 모양이며 모두 5개입니다.

따뜻한 색과 차가운 색은 파동 함수 ψ의 양·음 위상이며 전하가 아닙니다. 위상이 원자끼리 결합할 수 있는지를 결정합니다. 빛나는 껍질 한 층은 각각 등확률면이고, 안쪽으로 갈수록 전자가 있을 확률 밀도가 큽니다.

동경 분포 함수 P(r) = r²R²는 전자가 반지름 r인 얇은 구껍질 안에 있을 확률을 나타냅니다.

1s의 봉우리는 정확히 r = a₀(보어 반지름)에 있습니다. 2s와 3s는 봉우리 사이에 확률이 0인 구면이 있으며, 이를 동경 마디면이라 하고 개수는 n − l − 1입니다.

단면 그림의 어두운 고리는 동경 마디면이고, 어두운 직선은 각 마디면입니다.

다전자 원자에서 전자는 다음 규칙에 따라 오비탈에 하나씩 들어갑니다.

에너지 최저 원리: 에너지가 낮은 준위부터 채웁니다. 4s가 3d보다 먼저 채워집니다.

파울리 원리: 한 오비탈에는 전자가 최대 2개이며, 스핀은 반대입니다.

훈트 규칙: 같은 준위의 오비탈에는 전자가 먼저 서로 다른 오비탈에 나뉘어 들어가고, 스핀은 평행합니다.

주기율표의 원소를 클릭하면 전자 배치와 오비탈 표시를 볼 수 있습니다. 무대에는 원자가 전자의 전자 구름이 나옵니다. 파란색은 s, 주황색은 p, 보라색은 d입니다.

양자수 셋이 원자 오비탈 하나를 정합니다.

n 주 양자수는 전자 껍질과 크기를 정합니다. l 방위 양자수(0 ≤ l ≤ n − 1)는 모양을 정합니다. m 자기 양자수(−l ≤ m ≤ l)는 공간 방향을 정합니다.

마디의 총수 = n − 1이며, 그중 각 마디는 l개, 동경 마디는 n − l − 1개입니다.

1s부터 4f까지 원자 오비탈 30개 전부입니다. 끌어 회전하고, 휠로 확대·축소합니다.