오비탈

• Orbital

화학에서, 원자가 갖고 있는 전자의 궤도를 표현하는 확률분포함수를 말한다. 이해하기 쉽게 전자가 존재할 확률을 나타내는 '전자 구름' 이라고 비유해 표현하기도 한다.

어니스트 러더퍼드의 원자 모형에서는 전자를 입자, 즉 원자핵 주위를 빙빙 도는 알갱이로 여겼으나, 양자역학을 통해 전자도 입자인 듯 입자 아닌 파동 같은 성질을 갖는다는 개념이 나왔고, 그렇다면 이게 어떤 형태의 파동인지를 계산한 것이 오비탈이다.

이를 이해하기 위해, 상자 속 입자(particle in a box)라는 아주 기초적인 모델을 보면 좋다. 너비가 L 인 상자 안에 작은 입자가 들어 있다고 생각해 볼 때, 이걸 입자 알갱이로 본다면 속도를 갖고 구슬처럼 상자 벽에 부딪치며 굴러 다닐 것이다. 그런데 이걸 파동으로 보면, 상자 벽 양끝에 연결된 기타나 바이올린 줄로 생각할 수 있다. 입자 구슬이 속도를 갖고 움직이듯 이 파동 기타 줄은 특정한 파장을 갖고 떨릴 것이다. 이 때의 파장 λ 를 생각해 보면, 파장이 가장 길 때는 λ/2 = L 이 될 것이고, 좀더 짧아지면 λ/2 = L/2, L/3 ... 등의 파장을 가질 수 있을 것이다. 왜냐하면 줄 중에서 벽에 붙어 있는 부분은 고정되어 떨릴 수 없기 때문이다. 즉 일반화하면 λ = 2L/n 이 되는데, 이에 대해 생각해 보면, 주어진 조건에서 입자일 때 구슬의 속도는 어떤 값이든 될 수 있지만, 파동일 때 줄의 파장은 2L 을 정수 n 으로 나눈 수인 특정한 값들만 가질 수 있다. 나아가 파동의 에너지는 파장과 관계되므로, 이 줄의 에너지 또한 정수 n 에 따른 특정한 값들만 가질 수 있다.

이걸 전자에 적용해 보면, 원자핵 주위라는 주어진 조건 하에서 전자는 어떤 정수 n 에 따른 특정한 에너지 값만을 가질 수 있는 파동으로 존재한다고 생각할 수 있다. 그리고 양자역학의 코펜하겐 해석에 의하면 이러한 파동의 진폭이 큰 부분에 전자가 존재할 확률이 크므로, 이 파동의 함수를 구하면 그것이 곧 전자의 확률분포가 된다. 요컨대 전자는 원자 주위를 돈다기보다는 파동의 형태로 퍼져 있다는 것이다.

분자 오비탈

화학 결합을 설명하기 위해 도입된 이론으로, 분자를 이루는 원자들의 오비탈이 서로 더해져 분자 전체의 오비탈을 이룬다는 이론이다. 두 오비탈이 합쳐지면 기존의 오비탈보다 에너지가 낮은 오비탈과 높은 오비탈이 하나씩 생성되며 이를 각각 결합 오비탈과 반결합 오비탈이라고 부른다.