에너지 준위, energy level
원자와 분자가 갖는 에너지의 값이다. 보어의 원자 모형에서 전자가 에너지를 받아 위치를 바꾸면, 이 위치들이 에너지 준위이다. 고전 물리학에 모순되는 이 개념을 도입함으로써 보어는 수소 원자의 선 스펙트럼을 설명할 수 있었다.
에너지(영어: energy, 문화어: 에네르기, 독일어: energie)는 물리학에서 일을 할 수 있는 능력
1. 에너지 준위 (Energy State), 에너지 상태 (Energy State)
ㅇ 양자화된 에너지 값
- 특정한 불연속적인 값 만이 허용 됨
ㅇ 원자,분자,결정 내의 전자의 에너지는,
- 이산적인 에너지 값 만을 갖음 ☞ 에너지 양자화
2. 원자 내 전자의 거동 표현 : 전자의 위치 → 에너지 준위
ㅇ 원자 핵으로부터 중심 반경에 의해, 전자 위치를 표현하기 어려움
- 같은 반경 위치에 전자들이 중첩하는 등
ㅇ 따라서, 전자의 반경 위치 보다는 에너지 준위에 의해 표현하게됨
- 원자가 어떤 에너지 준위에 있음은, 원자의 전자들이 그 준위에 해당되는 에너지를 갖음을 뜻함
ㅇ 이때, 에너지 준위는, 양자화되어 있음 ☞ 에너지 양자화
- 원자 내 에너지 준위에 대응되는 중요 개념은, ☞ 전자 껍질 (주껍질, 부껍질), 전자 배위 참조
※ 에너지 준위라는 개념에 의해 나타나는, 여러 상반되는 개념/용어들
- 바닥 준위 및 들뜬 준위
- 흡수 및 방출
- 들뜸 및 이완
3. 바닥 준위/상태 및 들뜬 준위/상태
ㅇ 바닥 준위(상태) or 기저 준위(상태) (Ground Level/State)
- 에너지가 가장 낮은 준위를 갖는 정상상태 (이는 정지상태가 아님)
. 원자 내 가장 안정한, 최저 에너지 전자 배치 상태
ㅇ 들뜬 준위(상태) or 여기 준위(상태) (Excited Level/State)
- 바닥준위 이외의 높은 에너지 준위를 갖는 정상상태 들
. 원자 내 들뜬, 더높은 에너지 전자 배치 상태
ㅇ 준위 간 전자의 이동 : 전자 천이(Electron Transition)
4. 흡수(Absorption) 및 방출(Emission) ☞ 흡수 및 방출 참조
※ 에너지 준위 간 빛 광자의 흡수 및 방출
- 빛(전자기복사선)은, 원자 내 전자가 에너지 준위 간에 (수 [eV], E = hν = E2 - E1),
- 천이(Transition)할 때 만, 발생 또는 흡수됨
ㅇ 흡수(Absorption) ☞ 흡수 스펙트럼 참조
- 외부에서 에너지(광,전자 등)을 받아 높은 에너지 상태로 되는 현상 (흡수)
. 낮은 에너지준위에 있는 전자는 높은 에너지준위로 천이하며 빛 광자(Photon)를
흡수(absorption)
ㅇ 방출(Emission) ☞ 방출 스펙트럼, 유도방출, 자연방출 참조
- 보통 여기상태는 불안정하므로, 빨리 낮은 에너지상태로 되돌아오게되는데 (통상,10-8초),
- 이때 남는 일부 에너지가 빛으로 방출됨 (방출)
. 높은 에너지준위에 있는 들뜬상태의 전자는, 다시 낮은 에너지준위로 되돌아 천이하며,
. 양 준위간의 에너지차에 해당하는 광자를 방출(emission)
5. 들뜸(Excitation) 및 이완(Relaxation)
ㅇ 원자 내 전자들이 더 높은 에너지준위로 들뜨면(Excitaion), (에너지 흡수)
- 대략 수 나노 초(수명시간) 정도 머무르다가,
- 낮은 에너지준위로 이완(Relaxation)하게 됨 (에너지 방출)
ㅇ 이에따라 나타나는 여러 현상들
- 비 복사성 이완 : 열 방사 등
- 복사성 이완 : 형광 및 인광 등에 의한 광자 방출
- 에너지 전이 : 인접 원자/분자로의 전자 이동(광합성 등)
- 전자 전이 : 인접 원자/분자로의 전자 이동(인공 광합성 등)
6. 고체 결합 관련
ㅇ 결정성 고체의 공유결합을 에너지 띠(Band)로 설명하는 이론 ☞ 에너지 밴드(전도대,가전자대 등)
ㅇ 금속 결합 ☞ 전자 바다 모형
- 공유결합의 극단적인 경우로 볼 수 있음