06 물질의 전기적 특성

원자와 전기력

(1) 원자의 구성 입자: 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있다.

① 전자: 톰슨은 음극선이 전기장과 자기장에 의해서 휘어지는 현상으로부터 음극선이 음(-)전하를 띤 입자의 흐름이라는 것을 알아내었다. 이 입자를 전자라고 한다.

• 톰슨의 음극선 실험 결과: 음극선은 전기력과 자기력의 영향을 모두 받는다.

• 전자의 전하량의 크기(e): e=1.6×10^-19C(쿨롬) ⇨ 기본 전하량이라고 한다.

② 원자핵: 러더퍼드는 알파(α) 입자 산란 실험을 해석하여 ‘원자핵은 원자의 중심에 위치하며, 원자는 원자핵을 제외하면 거의 비어 있다.’는 사실을 알아내었다.

• 원자핵의 질량: 전자의 질량에 비해 매우 크다. ⇨ 원자의 질량은 대부분 원자핵의 질량이다.
• 원자핵의 전하량: 양(+)전하를 띠며, 기본 전하량의 정수배이다.

(2) 전기력: 전하 사이에 작용하는 힘이다.

① 전기력의 종류: 인력과 척력 두 종류가 있다. 다른 종류의 전하 사이에는 인력(서로 끌어당기는 힘)이 작용하고, 같은 종류의 전하 사이에는 척력(서로 밀어내는 힘)이 작용한다.

② 전기력의 크기(쿨롱 법칙): 두 점전하 사이에 작용하는 전기력의 크기는 두 점전하의 전하량의 크기의 곱에 비례하고, 두 점전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 전하량이 각각q₁, q₂인 두 점전하 사이의 거리가 r일 때 두 점전하 사이에 작용하는 전기력의 크기 F는 다음과 같다.

(3) 원자에 속박된 전자

① 원자핵과 전자 사이에 작용하는 전기력: 원자의 중심에는 양(+)전하를 띠는 무거운 원자핵이 있고, 그 주위를 음(-)전하를 띠는 전자가 돌고 있다. 원자핵은 양(+)전하를 띠고, 전자는 음(-)전하를 띠고 있으므로 원자핵과 전자 사이에는 서로 끌어당기는 전기력이 작용하여 전자가 원자핵 주위를 벗어나지 않고 돌 수 있다.

 

원자와 스펙트럼

(1) 스펙트럼: 빛이 파장에 따라 분리되어 나타나는 색의 띠이다.

(2) 스펙트럼의 종류

① 연속 스펙트럼: 색의 띠가 모든 파장에서 연속적으로 나타나는 스펙트럼이다.

예) 햇빛, 백열등과 같은 높은 온도의 물체에서 나오는 빛의 스펙트럼

② 선 스펙트럼: 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼은 특정한 위치에 파장이 다른 밝은 선이 띄엄띄엄 나타나는 스펙트럼이다.

예) 수소, 네온 등과 같은 기체가 채워진 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼

• 원소의 종류에 따라 밝은 선의 위치, 밝은 선의 개수가 다르다.
• 선 스펙트럼을 분석하여 원소의 종류를 알 수 있다.

③ 흡수 스펙트럼: 연속 스펙트럼을 나타내는 빛을 온도가 낮은 기체에 통과시켰을 때 기체가특정한 파장의 빛을 흡수하여 연속 스펙트럼에 검은 선이 나타나는 스펙트럼이다.

• 별빛의 흡수 스펙트럼을 조사하면 별 표면에 있는 기체의 종류를 알 수 있다.
• 태양광의 흡수 스펙트럼에 수소의 흡수 스펙트럼이 포함된 것으로 보아, 태양 주변에는 수소 기체가 있음을 알 수 있다.

(3) 에너지 준위와 선 스펙트럼의 관계: 수소 원자의 전자는 양자수 n으로 구분되는 다양한 궤도 사이에서 빛에너지를 흡수하면 더 높은 궤도로 전이하고, 더 낮은 궤도로 전이할 때에는 빛에너지를 방출한다. 이때 방출하는 빛의 파장은 선 스펙트럼의 분석을 통해 알 수 있다.

 

(4) 원자의 에너지 준위

① 보어의 원자 모형: 원자의 중심에 있는 원자핵 주위를 전자가 돌고 있으며, 전자는 특정 궤도에서 원운동을 한다.

⇨ 전자가 전자기파를 방출하지 않고 안정하게 존재한다.

② 궤도와 양자수: 원자핵에서 가장 가까운 궤도부터 n=1, n=2, n=3, … 인 궤도라고 부르며, n=1, 2, 3, … 을 양자수라고 한다.

③ 에너지의 양자화: 전자는 양자수와 관련된 특정한 에너지 값만을 가질 수 있다.

④ 에너지 준위: 원자 내 전자가 가지는 에너지 값 또는 에너지 상태를 말한다. 양자수 n의 값에 따라 불연속적인 값을 가지며, 양자수 n이 커질수록 에너지 준위도 높아진다.

(5) 전자의 전이: 전자가 에너지 준위 사이를 이동하는 것을 말한다.

① 전자의 이동: 전자는 두 에너지 준위의 차에 해당하는 에너지를 흡수하거나 방출하여 에너지 준위 사이를 이동한다.

⇨ 방출하는 빛의 에너지가 클수록 진동수가 크고, 파장은 짧다.

② 원자의 선 스펙트럼: 원자의 에너지 준위가 불연속적이므로 원자에서 방출되는 전자기파의스펙트럼은 밝은 선이 띄엄띄엄 나타나는 선 스펙트럼이다.

⇨ 원자의 선 스펙트럼은 원자의 에너지 준위가 양자화되어 있음을 의미한다.

• 광자의 에너지: 진동수가 f인 광자 1개의 에너지 E는 다음과 같다.

• 스펙트럼의 파장: 양자수 m, n인 에너지 준위에 있는 전자의 에너지를 각각 E_m, E_n이라고 하면, 전자가 양자수 m, n인 에너지 준위 사이를 전이할 때 방출 또는 흡수하는 빛의 파장 λ는 다음과 같다.

• 원자의 종류에 따라 에너지 준위의 분포가 다르므로 선 스펙트럼을 분석하여 빛을 방출하는 원자의 종류를 알 수 있다.

(6) 수소의 선 스펙트럼

① 수소 원자의 에너지 준위: 수소 원자의 에너지 준위는 불연속적이며, 다음과 같다.

② 수소의 선 스펙트럼 계열: 전자가 들뜬상태에서 보다 안정한 상태로 전이할 때 선 스펙트럼이 나타나며, 라이먼 계열, 발머 계열, 파셴 계열 등으로 구분한다.

에너지띠 이론과 물질의 전기 전도성

(1) 고체의 에너지띠

① 기체 원자의 에너지 준위: 원자들이 서로 멀리 떨어져 있어 한 원자가 다른 원자에 영향을 주지 않으므로 같은 종류의 기체 원자는 에너지 준위 분포가 같다.

② 고체 원자의 에너지 준위: 원자 사이의 거리가 매우 가까워지면 인접한 원자들의 전자 궤도가 겹치게 되어 에너지 준위가 겹치게 된다.

• 에너지 준위의 변화: 파울리 배타 원리에 의하면 하나의 양자 상태에 동일한 전자 2개가 있을 수 없다. 따라서 전자의 에너지 준위는 미세한 차를 두면서 존재한다.
• 에너지띠: 전자의 에너지 준위가 매우 가깝게 존재하여 연속적인 것으로 취급할 수 있는 에너지 준위의 영역으로, 고체 내의 전자들은 에너지띠가 있는 영역의 에너지만 가질 수 있다.

(2) 에너지띠의 구조

① 허용된 띠: 전자가 존재할 수 있는 영역으로, 온도가 0 K인 상태에서 원자 내부의 전자들은 허용된 띠의 에너지가 낮은 부분부터 채워 나간다.

• 원자가 띠: 원자의 가장 바깥쪽에 원자가 전자가 차지하는 에너지띠로, 전자가 채워져 있고 원자가 띠에 있는 전자들은 모든 에너지 준위에 차 있어 자유롭게 움직이지 못한다.
• 전도띠: 원자가 띠 위에 있는 에너지띠로, 원자가 띠에 있는 전자는 띠 간격 이상의 에너지를 흡수하여 전도띠로 전이할 수 있고, 작은 에너지만 주어도 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자가 된다.

② 띠 간격: 에너지띠 사이의 간격으로, 전자는 이 영역의 에너지 준위를 가질 수 없다.

(3) 고체의 전기 전도성

① 고체의 전기 전도성: 전자가 모두 채워져 있는 원자가 띠에 해당하는 에너지를 갖는 전자는 자유롭게 움직이지 못하지만, 비어 있는 전도띠로 전이된 전자는 전류를 흐르게 할 수 있다.

⇨ 에너지띠 구조의 차이에 의해 전기 전도성이 달라진다.

② 자유 전자와 양공: 자유 전자와 양공에 의해서 전류가 흐른다.

• 자유 전자: 원자가 띠에 있던 전자가 띠 간격 이상의 에너지를 얻으면 전자는 전도띠로 전이하여 자유롭게 움직이 양공는 자유 전자가 된다.
• 양공: 원자가 띠에 전자가 채워질 수 있는 빈자리로, 이웃한 전자가 채워지면서 움직일 수 있기 때문에 양(+)전하를 띤 입자 같은 역할을 한다.

③ 고체의 전기 전도성과 에너지띠 구조

• 전류가 흐르는 반도체 내부에서는 원자가 띠에 머물러있던 전자가 전도띠로 전이되면 자유 전자가 되어 전류를 흐를 수 있게 해 주고, 원자가 띠에서 전자의 빈자리인 양공도 전류를 흐를 수 있게 해 준다. 따라서 그림과 같이 반도체의 경우 자유 전자와 양공 모두 전하를 운반할 수 있는 전하 운반자(전하 나르개)의 역할을 할 수 있다.

④ 전기 전도도(σ): 물질의 전기 전도성을 정량적으로 나타낸 물리량이며 물질의 고유한 성질로, 외부 전압에 의해 물체에서 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 정도를 의미한다.

 

반도체

(1) 고유 반도체(순수 반도체): 불순물 없이 완벽한 결정 구조를 갖는 반도체로, 낮은 온도에서 양공이나 자유 전자의 수가 매우 적다.

① 도체와 절연체의 중간 정도의 전기 전도성을 가지고 있는 물질로, 원자가 전자가 4개인 규소(Si), 저마늄(Ge)과 같은 반도체이다.

② 순수한 규소(Si) 반도체는 고체 내에서 주위의 규소 원자 4개와 공유 결합을 한다.

 

(2) 불순물 반도체: 불순물의 종류에 따라 p형 반도체와 n형 반도체로 나뉜다.

• 도핑: 순수 반도체에 불순물을 첨가하여 반도체의 성질을 바꾸는 기술이다.

① n형 반도체: 원자가 전자가 4개인 규소(Si)에 원자가 전자가 5개인 인(P), 비소(As), 안티모니(Sb) 등을 첨가하면 5개의 원자가 전자 중 4개는 규소와 결합하고, 남는 전자 1개가 원자에 약하게 속박되어 자유롭게 이동할 수 있다.

⇨ 전자가 주된 전하 운반자의 역할을 한다.

• 규소(Si)에 불순물로 인(P)을 첨가하면 전도띠 바로 아래에 도핑된 원자에 의한 새로운 에너지 준위가 만들어져 전자가 작은 에너지로도 전도띠로 쉽게 전이하여 전류가 흐를 수 있다.

② p형 반도체: 원자가 전자가 4개인 규소(Si)에 원자가 전자가 3개인 붕소(B), 알루미늄(Al),갈륨(Ga), 인듐(In) 등을 첨가하면 규소(Si) 원자에 비해 전자 1개가 부족하여 전자가 비어있는 자리인 양공이 생긴다. 주변의 전자가 양공을 채우면 전자가 빠져나간 자리에 새로운 양공이 생긴다.

⇨ 양공이 주된 전하 운반자의 역할을 한다.

• 규소(Si)에 불순물로 붕소(B)를 첨가하면 원자가 띠 바로 위에 도핑된 원자에 의한 새로운 에너지 준위가 만들어져 원자가 띠의 전자가 작은 에너지로도 양공의 에너지 준위로 쉽게 전이하여 전류가 흐를 수 있다.

(3) p–n 접합 다이오드: p형 반도체와 n형 반도체를 접합하여 양 끝에 전극을 붙인 것으로,전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특성이 있다.

① 순방향 전압과 역방향 전압

② 정류 작용: 다이오드는 순방향 전압이 걸리면 전류가 흐르고, 역방향 전압이 걸리면 전류가 흐르지 않는다. 즉, 다이오드는 전류를 한쪽 방향으로만 흐르게 하는 특성이 있는데, 이를 정류 작용이라고 한다.

③ 가정에서 사용하는 전기 제품 중에서 직류로 작동하는 전기 제품 내부에는 다이오드로 구성된 정류 회로가 들어 있어 가정에 들어오는 교류를 전기 제품에 맞는 직류로 바꾸어 준다.

(4) 다이오드의 이용

① 발광 다이오드(LED): 전류가 흐를 때 빛을 내는 다이오드이다.

• 원리: 순방향 전압에 의해 전류가 흐를 때 n형 반도체에서 p형 반도체에 도달한 전자들이 에너지 준위가 낮은 양공의 자리로 전이하면서 띠 간격에 해당하는 만큼의 에너지를 빛으로 방출한다.
• 특징: LED의 띠 간격에 따라 방출되는 빛의 색깔이 다르다. ⇨ 띠 간격이 큰 LED일수록 파장이 짧은 빛을 방출한다.
• 이용: 소모 전력이 작고, 수명이 길며, 소형으로 제작할 수 있어 영상 표시 장치, 리모컨, 조명 장치 등으로 활용된다.

② 광 다이오드: 빛을 전기 신호로 변환하는 반도체 소자이다.

• 원리: 다이오드에 빛을 비추면 접합면 부근에서 빛이 흡수되면서 원자가 띠의 전자가 전도띠로 전이하며 양공과 전자가 생긴다. 이들이 접합면 부근의 전기장에 의해 전기력을 받아 각각 분리되면서 전류가 발생한다.
• 이용: 광센서, 화재 감지기, 조도계, 광통신 등

참고자료: EBS 수능 특강 물리1