전자가 에너지를 흡수한 여기 현상(excitation)

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핵 주변을 돌고 있는 소립자의 하나인 전자는 음전하(-)를 가졌고, 양성자 무게의 1,836분의 1에 불과하며, 무게조차 없다는 가장 작은 존재이지만, 우주의 모든 전기를 만들고, 자기(磁氣)를 형성하며, 열을 전도하고, 온갖 화학반응과 물리현상에서 주역을 하며, 광합성을 하는 것도 그들이다.

 

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전자기와 관련된 온갖 과학법칙들은 대부분 전자가 가진 성질을 설명한다. 전자는 전 인류가 사용하는 모든 전력의 주체이고, 구름의 방전 현상인 번개의 원인이다. TV를 비롯한 온갖 전자기구, 전기분해, 배터리, 전기용접, 조명등, 광전지, 태양전지판, 전자현미경, 방사선치료장비, 레이저, MRI, 입자가속기의 작용은 모두 전자가 하는 일들이다.

 

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에너지를 흡수한 '여기 전자'

전자기에 대해 배우면 '전자의 여기 현상'(勵起現狀 excitation 엑사이테이션)에 대한 설명이 나온다. 여기 현상은 우리말로 ‘들뜸’이라 표현하기도 한다. 원자의 핵 주변을 돌고 있는 전자들은 모두 에너지를 가졌다. 평소 전자의 에너지는 수준이 가장 낮은 기저 상태(基底狀態 ground level)에 있다. 그러나 전자들이 빛이나 열 또는 다른 전자의 영향을 받으면 그들로부터 에너지를 흡수하여 높은 에너지를 가진 상태가 된다. 이렇게 큰 에너지를 갖게 된 전자를 여기 전자(excited electron)라 한다.

 

 

광자의 에너지를 흡수하여 전자가 여기되면 광여기(photoexcitation)라 하고, 큰 에너지를 가진 다른 전자와 충돌하여 여기되면 충돌여기(collition excitaion)라 하며, 열에너지를 받아 여기되면 열여기(thermal excitation)라 한다.

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여기된 전자는 불안정하여 그 상태가 오래 가지 않는다. 즉 여기 전자는 바로 여분의 에너지를 빛으로 전달해버리고 낮은 에너지를 가진 기저상태로 돌아간다. 이런 경우 탈여기(deexcitation)라 한다.

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각 원소는 원자를 구성하는 전자의 수가 다르기 때문에, 여기된 전자로부터 나오는(탈여기하는) 빛은 파장이 다양하다. 이때 그 원소로부터 나오는 빛의 파장이 가시광선 범위이면 인간의 눈에 보인다.

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극광은 대기층 상부의 기체 분자들이 태양으로부터 오는 강력한 방사선의 에너지를 받아 그들의 전자가 여기되었다가 기저상태로 될 때 발생하는 빛이다.

 

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불꽃놀이의 아름다운 빛도 여기 전자의 작용

자연에서 일어나는 많은 화학반응은 여기된 전자에 의해 이루어진다. 예를 들면 광합성은 햇빛으로부터 광에너지를 흡수한 여기 전자에 의해 진행되는 것이다. 특별한 국경일이나 축제일이 되면 행사의 하나로 불꽃놀이를 한다. 이때 밤하늘을 장식하는 아름다운 불빛은 특정 물질이 화학변화를 하면서 나오는 것이다. 알고 보면 불꽃놀이에서 나타나는 다양한 색은 여기된 전자로부터 나오는 것이다.

 

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불꽃놀이 불꽃탄은 화약 성분에 혼합된 물질의 종류에 따라 다양한 색을 나타낸다. 즉 불꽃놀이의 밝고 아름다운 불빛은 여기된 전자가 기저상태로 돌아가면서 내놓는 빛이다. 이때 노란색 빛은 나트륨의 여기된 전자로부터, 청색은 여기된 구리의 전자로부터, 초록색은 질산바륨, 백색은 티타늄에서 나오는 것이다.

 

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반도체는 여기된 전자의 작용

전류가 잘 통하는 물질은 전도체라 하고, 전류가 흐르지 않는 물질은 절연체라 한다. 반도체는 전류가 흐르기도 하고 흐르지 않게 되기도 하는 이중 성질을 가진 물질이다. 반도체는 전도체나 절연체만큼 전류가 잘 흐르거나 절연하지는 않는다.

 

 

전자기구들이 소형화 되고 온갖 기능을 갖게 된 것은 반도체가 잘 발전된 덕분이다. 즉 반도체는 설계에 따라 전류가 한 방향으로만 흐르게도 하고 절연하기도 하는 작용을 한다. 이런 반도체의 역할은 여기된 전자들의 작용이다. 즉 반도체 물질의 전자들이 여기되었을 때만 전류가 흐르고, 기저 상태일 때는 절연되는 것이다.

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전자는 무게조차 없다는 가장 작은 존재이지만 전자가 하는 일은 정반대라고 하겠다. - YS

 

 

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