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전자 껍질

Electron shell
이 기사는 전자의 궤도에 관한 것이다.원자가 껍질은 원자가 전자를 참조한다.
"원자 쉘"은 여기서 리다이렉트됩니다.무기는 '핵포'를 참조한다.

화학과 원자 물리학에서, 전자 껍질은 원자의 핵 주위에 전자가 이어지는 궤도로 생각될 수 있다.핵에 가장 가까운 껍질은 "1 셸"이라고 불리며, "2 셸" (또는 "L 셸"), "3 셸" (또는 "M 셸") 등의 순서로 핵에서 점점 더 멀리 떨어져 있습니다.셸은 주요 양자 번호(n = 1, 2, 3, 4 ...)에 해당하거나 X선 표기법(K, L, M, ...)에 사용된 문자로 알파벳 순으로 레이블이 지정됩니다.

각 껍데기는 고정된 수의 전자만을 포함할 수 있습니다. 첫 번째 껍데기는 최대 2개의 전자, 두 번째 껍데기는 최대 8개의 전자, 세 번째 껍데기는 최대 18개의 전자(2+6+10)를 수용할 수 있습니다.일반적인 공식은 n번째 껍질이 원칙적으로 2(n2)개의 [1]전자를 수용할 수 있다는 것이다.이러한 껍질에 전자가 존재하는 이유에 대한 설명은 전자 [2]구성을 참조하십시오.

각 셸은 하나 이상의 서브셸로 구성되며, 각 서브셸은 하나 이상의 원자 궤도로 구성됩니다.

역사

1913년 Bohr 모델은 원자의 순차적 궤도에서 전자의 배치를 시도했지만, 그 당시 Bohr은 원자가 커짐에 따라 원자의 내부 궤도를 8개의 전자로 계속 증가시켰다.보어는 1913년 원소의 전자 모델을 다음과 [3]같이 구축했다.

위에서 우리는 가벼운 원자에서 전자의 배치를 위해 다음과 같은 가능한 방법으로 유도되었다.

요소 셸당 전자 수
4 2, 2
6 2, 4
7 4, 3
8 4, 2, 2
9 4, 4, 1
10 8, 2
11 8, 2, 1
16 8, 4, 2, 2
18 8, 8, 2

1913년 보어의 주기율표는 그가 24번째 [4][5]원소로 간 두 번째 논문에서 전자 구성을 보여줍니다.

껍데기 용어는 Arnold Sommerfeld가 Bohr 모델을 수정한 것에서 유래했습니다.이 기간 동안 보어는 발터 코셀과 함께 일했는데, 1914년과 1916년에 그의 논문이 궤도를 "껍데기"[6][7]라고 불렀다.솜머펠트는 보어의 행성 모델을 유지했지만, 일부 [8]원소의 미세한 분광 구조를 설명하기 위해 약간의 타원 궤도(양자수 θ와 m로 특징지어짐)를 추가했다.같은 주 양자수 n을 가진 다중 전자는 [9]"고리"라고 불리는 궤도를 도는 보어 모델의 원형 궤도 대신 양의 두께의 "껍데기"를 형성하는 근접한 궤도를 가지고 있었다.

전자껍질의 존재는 찰스 바클라와 헨리 모즐리의 X선 흡수 연구에서 처음으로 실험적으로 관찰되었다.모슬리의 연구는 전자껍데기 연구에 직접적으로 관여하지 않았다. 왜냐하면 그는 주기율표가 무게에 의해 배열된 것이 아니라 [10]핵에 있는 양성자의 전하에 의해 배열되었다는 것을 증명하려 했기 때문이다.그러나 중성 원자에서는 전자의 수가 양성자의 수와 같기 때문에,[11] 1962년의 인터뷰에서 모즐리의 연구를 여러 번 언급한 닐스 보어에게 이 연구는 매우 중요했다.모슬리는 닐스 보어처럼 러더포드 그룹의 일원이었다.모슬리는 칼슘과 아연 사이의 모든 원소에서 방출되는 X선의 주파수를 측정했고, 그 주파수는 원소가 무거워질수록 더 커졌고, 이는 전자가 더 [12]낮은 껍질로 이동했을 때 X선을 방출한다는 이론으로 이어졌다.이것은 K, L, M, N, O, P, Q라는 [5][13]글자로 조개껍데기에 라벨을 붙이면서 전자가 조개껍데기에 확실한 한계를 가지고 있다는 결론으로 이어졌다.이 용어의 기원은 알파벳이었다.모즐리와 독립적으로 X선 분광 실험가로 일했던 바클라는 1909년 원소에 X선을 쏘는 것으로부터 두 가지 종류의 산란을 처음 발견하고 "A"와 "B"라고 이름 붙였다.바클라는 이 두 가지 유형의 X선 회절에 대해 설명했습니다. 첫 번째는 실험에 사용된 물질의 유형과 연결되지 않았으며 편광될 수 있었습니다.또 다른 두 번째 회절빔은 조사된 [14]물질에 의존하기 때문에 그가 "형광"이라고 불렀습니다.그 당시에는 이 행들이 무엇을 의미하는지 알 수 없었지만 1911년 바클라는 "A" 앞에 산란된 행이 있을 수 있다고 판단하여 "K"[15]에서 시작했다.그러나 이후 실험에서 K 흡수선은 가장 안쪽 전자에 의해 생성된다는 것이 밝혀졌다.이들 문자는 나중에 Bohr 모델에서 사용된n개의 값 1, 2, 3 등에 대응하는 것으로 판명되었습니다.이들은 분광학적 시그반 표기법에 사용된다.

껍질에 전자를 할당하는 작업은 1913년부터 1925년까지 많은 화학자와 소수의 물리학자에 의해 계속되었다.닐스 보어는 주기율표를 정의하는 화학자의 작업을[16] 따랐던 몇 안 되는 물리학자 중 한 명이었고, 아놀드 소머펠트는 아톰바우 접근법을 [5]통해 스펙트럼의 미세한 구조를 설명하는 원자의 상대론적 작업 모델을 만드는 데 더 많은 노력을 기울였습니다.화학을 따르지 않은 아인슈타인과 러더포드는 화학적인 관점에서 주기율표의 전자껍질 이론을 전개하는 화학자들을 알지 못했다. 어빙 랭뮤어, 찰스 베리, J. J. 톰슨, 길버트 루이스는 모두 보어의 모델에 최대 2개의 전자라는 보정을 처음 도입했다.그 다음 8개의 껍데기, 그리고 외부 전자 껍데기의 원자가와 외부 [17][5]껍데기에 전자를 추가함으로써 원자의 형성을 설명하는 역할을 했다.그래서 1922년 보어가 전자껍질 원자론을 개략적으로 설명했을 때, 그 이론에는 수학 공식이 없었다.그래서 러더포드는 "당신이 어떻게 결론에 도달하는지에 대한 아이디어를 형성하기 어렵다"[18][19]고 말했다.아인슈타인은 1922년 보어의 논문에 대해 "원자의 전자 껍질과 화학에 대한 중요성은 기적처럼 보였고 오늘날에도 기적으로 보인다"[20]고 말했다.전자 구조에 대한 화학자들의 견해에 익숙한 보어 대신 아톰바우 구조를 따라온 아놀드 소머펠트는 보어의 1921년 강연과 1922년 셸 모델에 대한 기사를 "1913년 [5][21][18]이래 원자 구조의 가장 큰 진보"라고 말했다.그러나 닐스 보어의 전자껍질 개발은 1921년 [22][5][23]그의 논문에서 화학자 찰스 루즐리 베리와 기본적으로 같은 이론이었다.

솜머펠트-보어 모델의 전자껍질 구조에 대한 연구가 계속되면서, 솜머펠트는 세 개의 "궤도의 크기, 궤도의 모양, 그리고 궤도가 [24]가리키는 방향을 기술하는 양자 번호 n, k, m"을 도입했다.볼츠만 상수로 k를 사용하기 때문에 방위 양자수가 θ로 변경되었습니다.하이젠베르크의 매트릭스 역학과 슈뢰딩거의 파동 방정식에 기초해 현대 양자역학 이론이 제시될 때, 이 양자수들은 현재의 양자이론에서 유지되었으나 n은 주요 양자수이고 m은 자기 양자수이다.

하지만, 조개껍데기 안의 전자 수에 대해 오늘날에도 여전히 사용되고 있는 전자껍데기 모델의 최종 형태는 1923년 에드먼드 스토너에 의해 발견되었는데, 그는 n번째 조개가 2(n2)에 의해 설명된다는 원리를 소개했다.1925년에 이것을 본 볼프강 파울리는 소머펠트-보어 태양계 원자의 오래된 양자 이론 기간 동안 네 번째 양자 수인 "spin"을 추가하여 현대 전자 껍질 [5]이론을 완성했다.

서브셸

확률 밀도와 위상을 보여주는 일부 수소 유사 원자 궤도의 3D 뷰(g 궤도 이상은 표시되지 않음).

각 껍데기는 하나 이상의 부껍데기로 구성되어 있으며, 그 자체가 원자 궤도로 구성되어 있습니다.예를 들어 첫 번째 (K) 셸에는 1s라는1개의 서브셸이 있습니다.두 번째 (L) 셸에는 2s와 2p라는2개의 서브셸이 있습니다.세 번째 셸에는 3s, 3p, 3d와 3d가 있습니다.세 번째 셸에는 4, 4p, 4d 및 4f가 있습니다.제5 셸에는 이론상으로는 5g의 서브셸보다 5s, 5p, 5p, 5d 및 5f가 있습니다.모든 알려진 요소의.[2]다음 표에 다양한 서브셸을 나타냅니다.

서브셸 라벨 ℓ 최대 전자 그것을 포함한 조개껍데기 이력명
s 0 2 모든 셸 날카롭다
p 1 6 두 번째 셸 이상 주된
d 2 10 세 번째 셸 이상 흩어지다
f 3 14 네 번째 셸 이상 기본적
g 4 18 5번째 쉘 이상(수직) (f 뒤에 알파벳 다음)[25]
  • 첫 번째 열은 서브셸 유형의 소문자 레이블인 "서브셸 레이블"입니다.예를 들어, "4s 서브셸"은 네 번째(N) 셸의 서브셸이며, 첫 번째 행에 s가 설명되어 있습니다.
  • 두 번째 열은 부각의 방위 양자수())이다.정확한 정의는 양자역학을 포함하지만, 이것은 부껍질을 특징짓는 숫자입니다.
  • 세 번째 열은 해당 유형의 하위 껍질에 넣을 수 있는 최대 전자 수입니다.예를 들어, 상단 행에는 각 s형 서브셸(1s, 2s 등)에 최대 2개의 전자가 있을 수 있다고 나와 있습니다.두 경우 모두 위의 숫자보다 4가 큽니다.
  • 네 번째 열에는 해당 유형의 하위 쉘을 가진 셸이 표시됩니다.예를 들어, 위의 두 행을 보면 모든 셸에는 s 서브셸이 있고, 두 번째 셸 이상에만 p 서브셸이 있습니다(즉, "1p" 서브셸은 없습니다).
  • 마지막 열에는 레이블 s, p, d 및 f의 과거 기원이 표시됩니다.그것들은 원자 스펙트럼 라인에 대한 초기 연구에서 나온 것이다.다른 라벨, 즉 g, h 및 i는 역사적으로 유래한 마지막 라벨 f에 이은 알파벳 연속이다.

각 셸의 전자 수

각 서브셸은 최대 4µ + 2개의 전자를 보유하도록 제한됩니다. 즉, 다음과 같습니다.

  • 각 s 서브셸은 최대 2개의 전자를 보유합니다.
  • 각 p 서브셸은 최대 6개의 전자를 보유합니다.
  • 각 d개의 서브셸은 최대 10개의 전자를 보유합니다.
  • 각 f 서브셸은 최대 14개의 전자를 보유합니다.
  • 각 g 서브셸은 최대 18개의 전자를 보유합니다.

따라서, s 서브셸만을 포함하는 K 쉘은 최대 2개의 전자를 보유할 수 있다; s와 p를 포함하는 L 쉘은 최대 2 + 6 = 8개의 전자 등을 보유할 수 있다; 일반적으로, n번째 쉘은 최대 2n개의2 [1]전자를 보유할 수 있다.

껍데기
이름.		 서브셸
이름.		 서브셸
맥스.
전자		 껍데기
맥스.
전자
K 1s 2 2
L 2초 2 2 + 6 = 8
2p 6
M 3초 2 2 + 6 + 10
= 18
3p 6
3D 10
N 4초 2 2 + 6 +
10 + 14
= 32
4p 6
4D 10
4층 14
O 5초 2 2 + 6 +
10 + 14 +
18 = 50
5p 6
5d 10
5f 14
5g 18

이 공식은 원칙적으로 최대값을 제공하지만, 실제로는 최대값은 처음 4개의 셸(K, L, M, N)에 대해서만 달성된다.알려진 어떤 원소도 하나의 [26][27]껍질에 32개 이상의 전자를 가지고 있지 않습니다.이는 Aufbau 원리에 따라 서브셸이 채워지기 때문입니다.한 껍질에 32개 이상의 전자를 가진 첫 번째 원소는 주기율표의 8주기의 g-블록에 속할 것이다.이들 원소는 5g 서브셸에 일부 전자를 가지며, 따라서 O 셸(제5 주 셸)에 32개 이상의 전자를 가진다.

서브셸 에너지 및 충전 순서

상세 정보:아우바우 원리
다전자 원자 n은 전자의 에너지를 나타내는 지표가 되지 않는다.일부 셸의 에너지 스펙트럼이 인터리브됩니다.
빨간색 화살표로 교차하는 상태는 + (\ n 이 같습니다.빨간색 화살표의 방향은 상태 채우기 순서를 나타냅니다.

비록 때때로 껍데기 안의 모든 전자가 같은 에너지를 가지고 있다고 언급되지만, 이것은 근사치이다.하지만, 하나의 하위 껍질에 있는 전자는 정확히 같은 수준의 에너지를 가지고 있으며, 이후의 하위 껍질들은 이전의 것보다 전자당 더 많은 에너지를 가지고 있습니다.이 효과는 껍질과 관련된 에너지 범위가 중복될 수 있을 정도로 큽니다.

껍질과 서브셸을 전자로 채우는 작업은 낮은 에너지의 서브셸에서 높은 에너지의 서브셸로 진행됩니다.이는 일반적으로 Madelung 규칙이라고도 하는 n + rule 규칙을 따릅니다.n + θ 값이 작은 서브셸은 n + θ 값이 큰 서브셸보다 먼저 채워집니다.n + θ 값이 같을 경우 n 값이 작은 서브셸을 먼저 채운다.

이것 때문에, 이후의 조개껍질은 주기율표의 광대한 부분에 채워진다.K 쉘은 첫 번째 주기(수소와 헬륨)를 채우고 L 쉘은 두 번째 주기(리튬에서 네온)를 채웁니다.그러나 M셸은 나트륨(원소 11)에서 충전을 시작하지만 구리(원소 29)까지 충전이 끝나지 않고 N셸은 더 느리다: 칼륨(원소 19)에서 충전을 시작하지만 이터비움(원소 70)까지 충전이 끝나지 않는다.O, P 및 Q 쉘은 기존의 요소를 채우기 시작하지만 가장 무거운 원소인 오가네손(요소 118)에서도 완전하지 않습니다.

셸당 전자가 있는 원소 목록

아래 목록은 원자 번호의 증가에 따라 배열된 원소와 셸당 전자 수를 보여줍니다.일목요연하게 보면, 리스트의 서브셋은 명백한 패턴을 나타내고 있습니다.특히 5가지 요소의 모든 세트가 헬륨보다 무거운 각 귀가스(그룹 18, 노란색) 앞에 3에서 7의 연속된 수의 전자가 있다.

화학 그룹별로 표를 정렬하면 특히 마지막 두 개의 최외각에 대한 추가 패턴이 나타납니다(원소 57~71은 란타니드에 속하고 89~103은 악티니드에 속함).

아래 목록은 주로 Aufbau 원칙과 일치합니다.그러나 규칙에는 많은 예외가 있다. 예를 들어 팔라듐(원자 번호 46)은 원자 번호가 낮은 다른 원자와 달리 다섯 번째 껍질에 전자가 없다.108 이후의 원소는 반감기가 너무 짧아서 전자 구성이 아직 측정되지 않았기 때문에 대신 예측이 삽입되었습니다.

Z 요소 전자/껍질 수 그룹.
1 수소 1 1
2 헬륨 2 18
3 리튬 2, 1 1
4 베릴륨 2, 2 2
5 붕소 2, 3 13
6 카본 2, 4 14
7 질소 2, 5 15
8 산소 2, 6 16
9 불소 2, 7 17
10 네온 2, 8 18
11 나트륨 2, 8, 1 1
12 마그네슘 2, 8, 2 2
13 알루미늄 2, 8, 3 13
14 실리콘 2, 8, 4 14
15 인 2, 8, 5 15
16 유황 2, 8, 6 16
17 염소 2, 8, 7 17
18 아르곤 2, 8, 8 18
19 칼륨 2, 8, 8, 1 1
20 칼슘 2, 8, 8, 2 2
21 스칸듐 2, 8, 9, 2 3
22 티타늄 2, 8, 10, 2 4
23 바나듐 2, 8, 11, 2 5
24 크롬 2, 8, 13, 1 6
25 망간 2, 8, 13, 2 7
26 철 2, 8, 14, 2 8
27 코발트 2, 8, 15, 2 9
28 니켈 2, 8, 16, 2 10
29 구리 2, 8, 18, 1 11
30 아연 2, 8, 18, 2 12
31 갈륨 2, 8, 18, 3 13
32 게르마늄 2, 8, 18, 4 14
33 비소 2, 8, 18, 5 15
34 셀레늄 2, 8, 18, 6 16
35 브롬 2, 8, 18, 7 17
36 크립톤 2, 8, 18, 8 18
37 루비듐 2, 8, 18, 8, 1 1
38 스트론튬 2, 8, 18, 8, 2 2
39 이트륨 2, 8, 18, 9, 2 3
40 지르코늄 2, 8, 18, 10, 2 4
41 니오브 2, 8, 18, 12, 1 5
42 몰리브덴 2, 8, 18, 13, 1 6
43 테크네튬 2, 8, 18, 13, 2 7
44 루테늄 2, 8, 18, 15, 1 8
45 로듐 2, 8, 18, 16, 1 9
46 팔라듐 2, 8, 18, 18 10
47 실버 2, 8, 18, 18, 1 11
48 카드뮴 2, 8, 18, 18, 2 12
49 인듐 2, 8, 18, 18, 3 13
50 주석 2, 8, 18, 18, 4 14
51 안티몬 2, 8, 18, 18, 5 15
52 텔루루 2, 8, 18, 18, 6 16
53 요오드 2, 8, 18, 18, 7 17
54 제논 2, 8, 18, 18, 8 18
55 세슘 2, 8, 18, 18, 8, 1 1
56 바륨 2, 8, 18, 18, 8, 2 2
57 란타넘 2, 8, 18, 18, 9, 2
58 세륨 2, 8, 18, 19, 9, 2
59 프라세오디뮴 2, 8, 18, 21, 8, 2
60 네오디뮴 2, 8, 18, 22, 8, 2
61 프로메튬 2, 8, 18, 23, 8, 2
62 사마리움 2, 8, 18, 24, 8, 2
63 유로피움 2, 8, 18, 25, 8, 2
64 가돌리늄 2, 8, 18, 25, 9, 2
65 터비움 2, 8, 18, 27, 8, 2
66 디스프로슘 2, 8, 18, 28, 8, 2
67 홀뮴 2, 8, 18, 29, 8, 2
68 엘비움 2, 8, 18, 30, 8, 2
69 툴륨 2, 8, 18, 31, 8, 2
70 이터비움 2, 8, 18, 32, 8, 2
71 루테튬 2, 8, 18, 32, 9, 2 3
72 하프늄 2, 8, 18, 32, 10, 2 4
73 탄탈룸 2, 8, 18, 32, 11, 2 5
74 텅스텐 2, 8, 18, 32, 12, 2 6
75 레늄 2, 8, 18, 32, 13, 2 7
76 오스뮴 2, 8, 18, 32, 14, 2 8
77 이리듐 2, 8, 18, 32, 15, 2 9
78 플래티넘 2, 8, 18, 32, 17, 1 10
79 골드 2, 8, 18, 32, 18, 1 11
80 수성. 2, 8, 18, 32, 18, 2 12
81 탈륨 2, 8, 18, 32, 18, 3 13
82 이끌다 2, 8, 18, 32, 18, 4 14
83 비스무트 2, 8, 18, 32, 18, 5 15
84 폴로늄 2, 8, 18, 32, 18, 6 16
85 아스타틴 2, 8, 18, 32, 18, 7 17
86 라돈 2, 8, 18, 32, 18, 8 18
87 프랑슘 2, 8, 18, 32, 18, 8, 1 1
88 라듐 2, 8, 18, 32, 18, 8, 2 2
89 악티늄 2, 8, 18, 32, 18, 9, 2
90 토륨 2, 8, 18, 32, 18, 10, 2
91 프로탁티늄 2, 8, 18, 32, 20, 9, 2
92 우라늄 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
93 넵투늄 2, 8, 18, 32, 22, 9, 2
94 플루토늄 2, 8, 18, 32, 24, 8, 2
95 아메리슘 2, 8, 18, 32, 25, 8, 2
96 퀴륨 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
97 베르켈륨 2, 8, 18, 32, 27, 8, 2
98 칼리포늄 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
99 아인스타이늄 2, 8, 18, 32, 29, 8, 2
100 페르미움 2, 8, 18, 32, 30, 8, 2
101 멘델레비움 2, 8, 18, 32, 31, 8, 2
102 노벨륨 2, 8, 18, 32, 32, 8, 2
103 로렌슘 2, 8, 18, 32, 32, 8, 3 3
104 러더포디움 2, 8, 18, 32, 32, 10, 2 4
105 두브늄 2, 8, 18, 32, 32, 11, 2 5
106 시보르기움 2, 8, 18, 32, 32, 12, 2 6
107 보리움 2, 8, 18, 32, 32, 13, 2 7
108 하시움 2, 8, 18, 32, 32, 14, 2 8
109 마이트네리움 2, 8, 18, 32, 32, 15, 2 (?) 9
110 다름슈타디움 2, 8, 18, 32, 32, 16, 2 (?) 10
111 뢴트제늄 2, 8, 18, 32, 32, 17, 2 (?) 11
112 코페르니슘 2, 8, 18, 32, 32, 18, 2 (?) 12
113 니혼리움 2, 8, 18, 32, 32, 18, 3 (?) 13
114 플레로비움 2, 8, 18, 32, 32, 18, 4 (?) 14
115 모스코비움 2, 8, 18, 32, 32, 18, 5 (?) 15
116 리버모리움 2, 8, 18, 32, 32, 18, 6 (?) 16
117 테네신 2, 8, 18, 32, 32, 18, 7 (?) 17
118 오가네손 2, 8, 18, 32, 32, 18, 8 (?) 18

「 」를 참조해 주세요.

Wikimedia Commons에는 Electron Shell 다이어그램과 관련된 미디어가 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ a b 참조: 전자껍질은 왜 한계를 설정합니까?madsci.org, 1999년 3월 17일, Dan Berger, Bluffton College, 교수 화학/과학
  2. ^ a b 전자 서브셸부식원
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