전자 껍질

3. 부껍질

각 전자껍질은 하나 이상의 부껍질(subshell)로 구성되며, 부껍질은 다시 원자 궤도함수로 구성된다.^[2] 부껍질은 소궤도, 부전자껍질^[28], 아각이라고도 불린다.

실제로 주기율표에 정리된 원소의 전자 배치에서, 전자껍질 내 전자 수는 다음과 같은 형태로만 확인된다.

( '''굵은 글씨'''(d 오비탈, f 오비탈)는 여분 부분으로서, 전자 채움이 다음 주기로 미뤄지는 오비탈이다. d 오비탈은 1주기 후, f 오비탈은 2주기 후에 채워진다. d 오비탈은 주로 1주기 후의 d구역 원소(전이 원소) 부분을, f 오비탈은 주로 2주기 후의 f구역 원소(란타넘족, 악티늄족) 부분을 담당한다.)

3. 1. 부껍질의 종류와 특징

• 부껍질 기호: 부껍질의 종류를 나타내는 소문자 기호이다. 예를 들어 "4s 부껍질"은 네 번째(N) 껍질의 s 부껍질을 의미한다.
• 방위 양자수(''ℓ''): 부껍질을 특징짓는 양자 역학적인 숫자이다.
• 최대 전자 수: 해당 부껍질에 들어갈 수 있는 최대 전자 수이다. s 부껍질은 최대 2개, p 부껍질은 최대 6개, d 부껍질은 최대 10개, f 부껍질은 최대 14개의 전자를 가질 수 있다. 다음 부껍질(p, d, f, g) 각각은 앞선 부껍질보다 4개의 전자를 더 포함할 수 있다.
• 포함하는 껍질: 해당 부껍질을 포함하는 전자껍질을 나타낸다. 예를 들어, 모든 껍질은 s 부껍질을 가지지만, p 부껍질은 두 번째 껍질부터 존재한다.
• 역사적 명칭: s, p, d, f 기호는 초기 원자 스펙트럼 선 연구에서 유래했다. g, h, i와 같은 기호는 f 다음 알파벳 순서대로 이어진다.^[24]

4. 각 껍질의 전자 수

전자껍질은 주양자수 $n\; =\; 1,\; 2,\; 3,\; \backslash cdots$에 따라 여러 층으로 구성되어 있으며, 에너지 준위가 낮은 순서대로 '''K껍질, L껍질, M껍질, N껍질, O껍질, P껍질'''…로 불린다. 각 전자껍질에 들어갈 수 있는 전자의 수는 $2\; n^2$개와 같다.^[1] 여기서 제시하는 전자 수용량은 계산값일 뿐이며, 32개보다 많은 전자를 가진 원자는 아직 발견되지 않았다.^[25][26]

하지만 실제 주기율표에 정리된 원소의 전자 배치에서 확인되는 전자껍질 내 전자 수는 위 표와는 차이가 있다.

• '''굵은 글씨'''(d 오비탈, f 오비탈)는 전자가 채워지는 순서가 다음 주기로 미뤄지는 오비탈이다. d 오비탈은 주로 1주기 후의 d구역 원소(전이 원소) 부분을, f 오비탈은 주로 2주기 후의 f구역 원소(란타넘족, 악티늄족) 부분을 담당한다.

4. 1. 껍질별 최대 전자 수

• 각 s 부껍질은 최대 2개의 전자를 가진다.
• 각 p 부껍질은 최대 6개의 전자를 가진다.
• 각 d 부껍질은 최대 10개의 전자를 가진다.
• 각 f 부껍질은 최대 14개의 전자를 가진다.
• 각 g 부껍질은 최대 18개의 전자를 가진다.

이 공식은 원칙적으로 최대값을 제공하지만, 이 최대값은 (알려진 원소에서) 처음 네 개의 껍질(K, L, M, N)에 대해서만 달성된다. 어떤 한 껍질에 32개가 넘는 전자를 가진 원소는 알려져 있지 않다.^[25][26] 이는 부껍질이 오프바우 원리에 따라 채워지기 때문이다. 한 껍질에 32개 이상의 전자를 갖는 최초의 원소는 주기율표의 8주기의 g-블록에 속할 것이다.

전자껍질은 주양자수 $n\; =\; 1,\; 2,\; 3,\; \backslash cdots$ 에 따라 여러 층으로 구성되어 있으며, 에너지 준위가 낮은 순서대로 '''K껍질, L껍질, M껍질, N껍질, O껍질, P껍질'''…로 불린다. 각 전자껍질에 들어갈 수 있는 전자의 수는 $2\; n^2$개와 같다. 여기서 제시하는 전자 수용량은 계산값일 뿐이며, 32개보다 많은 전자를 가진 원자는 아직 발견되지 않았다.

5. 부껍질 에너지와 채움 순서

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2012년 시점에서 발견이 보고된(비공인 포함) 원소는 6d 및 7s^[30] 오비탈을 채우고, 7p에 전자를 채우고 있는 원소이다.

5. 1. 쌓음 원리 (Aufbau principle)

6. 원소별 전자 배치 목록

아래 목록은 원자 번호가 증가하는 순서대로 원소들을 나열하고 각 껍질 당 전자 수를 보여준다. 한눈에 봐도 목록의 부분 집합은 명확한 패턴을 보여주는데, 특히 헬륨보다 무거운 모든 비활성 기체(18족) 앞의 다섯 개 원소 집합은 최외각 껍질에 3개에서 7개까지의 전자 수를 순차적으로 가지고 있다.

주기율표의 족으로 표를 정렬하면, 특히 마지막 두 개의 최외각 껍질과 관련하여 추가적인 패턴이 나타난다. (57번부터 71번까지의 원소는 란타넘족에 속하고, 89번부터 103번까지는 악티늄족에 속한다.)

아래 목록은 주로 오프바우 원리와 일치한다. 그러나 이 규칙에는 여러 예외가 있는데, 예를 들어 팔라듐(원자 번호 46)은 원자 번호가 더 작은 다른 원자들과 달리 다섯 번째 껍질에 전자가 없다. 108번 이후의 원소들은 반감기가 너무 짧아 전자 배치가 아직 측정되지 않았으므로 예측값이 대신 삽입되었다.

참조

_[1] 웹사이트 Re: Why do electron shells have set limits ? http://www.madsci.or[...] Bluffton College 1999-03-17
_[2] 웹사이트 Electron Subshells https://web.archive.[...]
_[3] 논문 On the Constitution of Atoms and Molecules, Part II. Systems containing only a Single Nucleus 1913
_[4] 논문 Niels Bohr’s Second Atomic Theory https://doi.org/10.2[...] University of California Press 1979
_[5] 논문 Über Molekülbildung als Folge des Atombaues 1916
_[6] 논문 LARS VEGARD, ATOMIC STRUCTURE, AND THE PERIODIC SYSTEM 2012
_[7] 강의자료 Introduction to Solid State Chemistry, Lecture 5 http://ocw.mit.edu/c[...] 2011-06-29
_[8] 논문 On the Constitution of Atoms and Molecules, Part I 1913
_[9] 논문 On Moseley’s Law for X-Ray Spectra http://www.jstor.org[...] National Academy of Sciences 1917
_[10] 인터뷰 Niels Bohr interview 1962 Session III https://www.aip.org/[...] 1962
_[11] 서적 Quantum: Einstein, Bohr, and the great debate about the nature of reality 2008
_[12] 논문 XXXIX.The spectra of the fluorescent Röntgen radiations https://zenodo.org/r[...]
_[13] 논문 Disputed discovery: the beginnings of X-ray diffraction in crystals in 1912 and its repercussions 2011-01
_[14] 논문 XXXIX. The spectra of the fluorescent Röntgen radiations 1911
_[15] 논문 Formation of Bohr's Theory of Atomic Constitution 1964
_[16] 웹사이트 Periodic Table
_[17] 서적 Niels Bohr Collected Works, Vol. 4 1921-03-07
_[18] 서적 Niels Bohr’s Times, in Physics, Philosophy, and Polity Clarendon Press 1991
_[19] 서적 Albert Einstein: Philosopher-Scientist MJF Books 1969
_[20] 서적 Quantum: Einstein, Bohr, and the great debate about the nature of reality 2008
_[21] 논문 Langmuir's Theory of the Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules 1921-07
_[22] 논문 The Genesis of the Bohr Atom University of California Press 1969
_[23] 서적 Quantum: Einstein, Bohr, and the great debate about the nature of reality 2008
_[24] 서적 Fundamental Concepts in Biophysics https://books.google[...] Springer 2009
_[25] 웹사이트 Orbitals http://www.chem4kids[...] 2011-12-01
_[26] 웹사이트 Electron & Shell Configuration http://www.chemistry[...] 2011-12-01
_[27] 웹사이트 楽しい高校化学「電子殻の構造」 http://www2.yamamura[...] 2012-09-23
_[28] 웹사이트 sub-electron shell http://ejje.weblio.j[...]
_[29] 서적 Fundamental Concepts in Biophysics https://books.google[...] Springer 2009
_[30] 문서 7s는 6p의 뒤에 이미 채워져 있다.