내부 전자

내부 전자(Core electron) 또는 안쪽 전자는 원자에서 원자가 전자가 아니며 화학 결합에 직접적으로 참여하지 않는 전자이다.^[1] 원자핵과 원자의 내부 전자는 원자핵을 형성한다. 내부 전자는 핵에 단단히 결합되어 있다. 따라서 원자가 전자와 달리 내부 전자는 원자핵의 양전하를 원자가 전자로부터 가림으로써 화학 결합 및 반응에서 이차적인 역할을 한다.^[2]

원소의 원자가 전자의 수는 원소의 주기율표 족에 따라 결정될 수 있다(자세한 내용은 원자가 전자 참조)

• 전형 원소의 경우 원자가 전자의 수는 1에서 8까지이다 (ns 및 np 오비탈).
• 전이 금속의 경우 원자가 전자의 수는 3에서 12까지이다 (ns 및 (n−1)d 오비탈).
• 란타넘족 및 악티늄족의 경우 원자가 전자의 수는 3에서 16까지이다 (ns, (n−2)f 및 (n−1)d 오비탈).

해당 원소의 원자에 대한 다른 모든 비원자가 전자는 내부 전자로 간주된다.

원자 궤도 이론

내부 전자와 원자가 전자의 차이에 대한 더 복잡한 설명은 원자 궤도 이론으로 설명될 수 있다.

단일 전자를 가진 원자에서는 궤도의 에너지가 주로 주양자수 n에 의해 결정된다. n = 1 궤도는 원자에서 가능한 가장 낮은 에너지를 갖는다. n이 커질수록 에너지가 너무 많이 증가하여 전자가 원자에서 쉽게 벗어날 수 있다. 단일 전자 원자에서는 동일한 주양자수를 가진 모든 에너지 준위가 퇴화되어 동일한 에너지를 갖는다.

둘 이상의 전자를 가진 원자에서는 전자의 에너지가 전자가 위치하는 궤도의 특성뿐만 아니라 다른 궤도의 다른 전자와의 상호작용에도 의존한다. 이는 방위 양자수 ℓ을 고려해야 한다. ℓ 값이 높을수록 에너지 값이 높아진다. 예를 들어, 2p 상태는 2s 상태보다 높다. ℓ = 2일 때 궤도 에너지의 증가는 다음 높은 껍질의 s-궤도 에너지 위로 궤도 에너지를 밀어낼 만큼 충분히 커진다. ℓ = 3일 때 에너지는 두 단계 높은 껍질로 밀려난다. 3d 궤도의 채움은 4s 궤도가 채워질 때까지 일어나지 않는다.

더 큰 원자에서 각운동량이 증가하는 부껍질의 에너지 증가는 전자-전자 상호작용 효과 때문이며, 특히 낮은 각운동량 전자가 핵을 향해 더 효과적으로 침투할 수 있는 능력과 관련이 있으며, 핵에서는 중간 전자의 전하로부터의 가림 효과가 적게 적용된다. 따라서 원자 번호가 높은 원자에서는 전자의 ℓ이 에너지 결정 요인으로서 점점 더 중요해지고, 전자의 주양자수 n은 에너지 배치에서 점점 덜 중요해진다. 처음 35개 부껍질(예: 1s, 2s, 2p, 3s 등)의 에너지 순서는 다음 표에 나와 있다 [표시되지 않음?]. 각 셀은 행 및 열 인덱스에 의해 n 및 ℓ이 주어지는 부껍질을 나타낸다. 셀의 숫자는 시퀀스에서 부껍질의 위치이다. 아래 주기율표는 부껍질별로 정리되어 있다.

원자 궤도별로 정리된 주기율표.

원자 핵

원자 핵은 원자의 원자가 전자를 제외한 중앙 부분을 말한다.^[3] 원자 핵은 핵전하라고 불리는 양의 전하를 가지며, 바깥 껍질 전자가 경험하는 유효 핵전하이다. 즉, 핵전하는 원자가 전자가 원자핵에 의해 경험하는 인력을 표현한 것으로, 내부 전자의 가림 효과를 고려한 것이다. 핵전하는 원자핵의 양성자 수에서 내부 껍질 전자라고도 불리는 내부 전자의 수를 빼서 계산할 수 있으며, 중성 원자에서는 항상 양의 값을 갖는다.

핵의 질량은 원자의 질량과 거의 같다. 원자 핵은 충분한 정확도로 구형 대칭으로 간주될 수 있다. 핵 반경은 해당 원자의 반경보다 최소 세 배 작다(동일한 방법으로 반경을 계산하는 경우). 무거운 원자의 경우 핵 반경은 전자 수 증가에 따라 약간 증가한다. 가장 무거운 자연 발생 원소인 우라늄의 핵 반경은 리튬 원자의 반경과 비슷하지만, 후자는 전자가 세 개뿐이다.

화학적 방법으로는 핵의 전자를 원자에서 분리할 수 없다. 불꽃이나 자외선 복사에 의해 이온화될 때, 원자 핵은 일반적으로 손상되지 않는다.

핵전하는 주기율표의 경향을 설명하는 편리한 방법이다.^[4] 핵전하는 주기율표의 한 행을 가로지를수록 증가하므로, 바깥 껍질 전자는 핵으로 점점 더 강하게 끌리고 원자 반지름은 감소한다. 이는 원자 반지름, 1차 이온화 에너지 (IE), 전기 음성도, 산화와 같은 여러 주기적 경향을 설명하는 데 사용될 수 있다.

핵전하는 '원자 번호'에서 '바깥 껍질의 전자를 제외한 모든 전자'를 빼서 계산할 수도 있다. 예를 들어, 염소 (원소) (원자 번호 17)는 전자 배열 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵를 가지며, 17개의 양성자와 10개의 내부 껍질 전자(첫 번째 껍질에 2개, 두 번째 껍질에 8개)를 가지므로:

핵전하 = 17 - 10 = +7

핵전하는 핵의 순전하로, 완성된 전자 껍질이 '방패' 역할을 한다고 간주한다. 핵전하가 증가하면 원자가 전자는 핵에 더 강하게 끌리고, 주기를 가로지를수록 원자 반지름은 감소한다.

상대론적 효과

원자 번호 Z가 높은 원소의 경우 내부 전자에서 상대론적 효과를 관찰할 수 있다. 내부 s 전자의 속도는 상대론적 운동량에 도달하여 6s 궤도가 5d 궤도에 비해 수축된다. 이러한 상대론적 효과에 의해 영향을 받는 물리적 특성에는 수은의 녹는점 하락과 에너지 갭의 좁아짐으로 인한 금과 세슘의 황금색 관찰이 포함된다.^[5] 금은 다른 가시광선 파장보다 푸른 빛을 더 많이 흡수하여 노란색 빛을 반사하기 때문에 노란색으로 보인다.

금 스펙트럼

전자 전이

내부 전자는 전자기 복사를 흡수하면 내부 준위에서 탈출할 수 있다. 이는 전자를 비어 있는 원자가 껍질로 들뜨게 하거나 광전 효과로 인해 광전자(photoelectron)로 방출되게 한다. 결과적으로 생성된 원자는 내부 전자 껍질에 빈 공간을 가지게 되며, 이를 종종 코어 홀(core-hole)이라고 부른다. 이는 준안정 상태에 있으며 10⁻¹⁵ 초 이내에 붕괴하여 특성 X선으로 X선 형광을 방출하거나 오제 효과를 통해 과도한 에너지를 방출한다.^[6] 낮은 에너지 궤도로 떨어지는 원자가 전자가 방출하는 에너지를 감지하면 물질의 전자 및 국소 격자 구조에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다. 대부분의 경우 이 에너지는 광자 형태로 방출되지만, 에너지는 다른 전자로 전달될 수도 있으며, 이 전자는 원자 밖으로 방출된다. 이 두 번째 방출된 전자를 오제 전자라고 부르며, 간접 복사 방출을 동반하는 이러한 전자 전이 과정을 오제 효과라고 한다.^[7]

수소를 제외한 모든 원자는 명확한 결합 에너지를 가진 내부 준위 전자를 가지고 있다. 따라서 X선 에너지를 적절한 흡수단에 맞춰 특정 원소를 탐지할 수 있다. 방출되는 복사 스펙트럼은 물질의 원소 조성을 결정하는 데 사용될 수 있다.

같이 보기

• 원자 궤도
• 오제 효과
• 란타넘족 수축
• 상대론적 양자화학
• 가림 효과
• 표면 코어 준위 이동
• 원자가 전자