원자의 구조, 전자의 궤도(orbit), 전자각, 가전자 및 이온 이란 무엇인가?

※ 원자의 구조

모든 물질은 원자들로 이루어지고 또 모든 원자는 전자, 양자 그리고 중성자들로 이루어진다. 원자의 구조, 전자의 궤도(orbit) 및 전자각(shell), 가전자(valence electron), 이온에 대해 알아보겠다. 원자 내에 형성되는 전자의 구성 형태가 물질 내의 전류의 흐름을 결정하는 핵심 요인이 되므로 반도체성 물질 구조를 이해하는 것은 매우 중요하다. 

그 물질의 특성을 유지하는 원소 중 가장 작은 입자를 원자(atom)라고 한다. 이미 알려진 109개 각각의 원소는 원자를 갖고 있는데, 그 원자의 구조는 서로 다르다. 각 원소는 독특한 원자 구조를 갖고 있는데, 고전적인 보어의 원자 모형에 의하면 원자는 중앙의 핵과 핵 주위의 궤도를 돌고 있는 전자들로 구성된 마치 혹성과 같은 형태의 구조를 갖는다. 원자핵은 양(+)으로 대전된 양자(proton)라는 입자와 비대전된 중성자라는 입자로 구성되며 음(-)ㅇ로 대전된 기본적인 입자를 전자(electron)라고 한다. 각각의 원자는 모든 다른 원소의 원자와 구별할 수 있는 특정한 수의 전자와 양자를 갖는다. 예를 들어 가장 간단한 원자 구조를 가진 수소는 하나의 양자와 하나의 전자를 갖는다. 

▶ 원자번호

모든 원소는 그들의 원자번호(atomic number) 순서대로 주기율표에 배열된다. 원자번호는 핵에 있는 양자의 수와 같으며, 이 숫자는 전자의 수와 같기 때문에 전기적으로 원자는 중성이 된다. 예를 들어 수소의 원자번호는 1이고, 헬륨의 원자번호는 2이다. 중성 상태에서 이들 원소 내의 모든 원자는 양자와 같은 전자를 가지므로 양(+) 전하와 음(-) 전하는 서로 상쇄되고 따라서 원자의 실제 전하량은 0이 된다.

▶ 전자각과 궤도

전자는 원자핵으로부터 일정한 거리만큼 떨어진 궤도 위를 돌고 있다. 원자핵 주위의 궤도를 돌고 있는 전자는 더 멀리 떨어진 궤도 위를 돌고 있는 전자보다 훨씬 작은 에너지를 갖고 있으며, 원자 구조 내에서 전자는 불연속적인 에너지만을 가진다고 알려져 있다. 따라서 전자는 핵으로부터 불연속적인 거리에 위치한 궤도만 돌아야한다.

원자핵으로부터 각각 불연속적으로 떨어진 거리(orbits)는 특정 에너지 준위와 일치하며 원자 내에서의 궤도는 각(shell)이라고 하는 에너지대로 분류한다. 각각의 원자는 한정된 수의 각을 갖게 되며 각각의 각은 허용된 에너지 준위에서 한정된 수의 최대 전자를 갖는다. 각 내에서 에너지 준위의 차이는 각과 각 사이의 에너지 차보다 훨씬 작다. 

▶ 가전자 (valence band)

원자핵으로부터 멀리 떨어진 궤도상에 있는 전자들은 핵 가까이에 있는 전자보다 높은 에너지를 가지며 원자에 대한 구속력이 약하다. 이것은 양(+)으로 대전된 원자핵과 음(-)으로 대전된 전자 사이의 인력이 핵과 전자 사이의 거리가 멀어질수록 감소하기 때문이다. 가장 높은 에너지준위를 갖는 전자는 원자의 최외각에 존재하며, 상대적으로 원자에 대한 구속력이 약하다. 이 최외각을 가전자 각이라하며 가전자 각 내에 있는 저자들을 가전자라 한다. 이들 가전자들은 물질 냉서 화학적 반응과 결합에 관여하여 물질의 특성을 결정 짓는다.

▶ 이온화

원자가 열이나 빛으로부터 에너지를 흡수하면 전자의 에너지 준위는 상승한다. 가전자가 에너지를 얻으면 얻을수록 내부의 전자들보다 원자에 대한 구속력이 약하게 되므로 외부 에너지가 흡수됐을 때 전자는 가전자 각 내의 더 높은 궤도록 쉽게 이동할 수 있다. 가전자가 충분한 에너지를 얻게 되면 최외각으로부터 이탈하여 원자의 영향에서 벗어난다. 한개의 가전자의 이탈(자유전자)은 중성인 원자에 한 개의 잉여 양(+) 전하를 생성케 한다. (이 경우 전자보다 양자가 더 많다.) 이와 같이 가전자를 잃는 과정을 이온화(ionization)라고 하며, 그 결과 양(+)으로 대전된 원자를 양이온이라고 한다. 예를 들면 수소의 화학적 기호는 H이다. 중성인 수소 원자가 가전자를 잃고 양이온이 됐을 때 이것을 H+로 표시한다. 여기서 이탈된 가전자를 자유전자(free electron)라 한다. 자유전자가 중성이 ㄴ수소 원자의 최외각에 합류하면, 그 원자는 음(-)으로 대전되고 음이온이라 하며 H-로 표시한다. 

그럼 이만~~~