물질과 전자기장

과학 기술의 혁신의 시대라고 불릴 만큼, 오늘날 우리는 하루가 다르게 변화하는 첨단 과학 기술을
경험하며 살아가고 있다. 과학자들은 원자의 구조를 탐구하며 물질의 전자기적인 성질을 알아내고,
이를 응용하여 첨단 과학 기술을 발전시켜 왔다. 이 단원에서는 반도체, 자성체 등 물질의 다양한
특성과 전자기 유도 현상이 일상생활에 어떻게 활용되고 있는지 알아보자.

24쪽
프로젝트 활동 안내 이 단원을 시작하면서 교과서 속 탐구 활동을 확장시킬 수 있는 ‘전기 에너지의 효율적 이용 조사’ 프로젝트 활동을
진행해 보자. 138쪽

금성교과서(물리I).indb 80 2018-08-10 오후 6:09:07

 중학교 과학 통합 과학 이 단원에서 배울 것
•전기와 자기 •물질의 규칙성과 결합 물질의 구조와 성질
•에너지 전환과 보존 •발전과 신재생 에너지
전류와 자기장

금성교과서(물리I).indb 81 2018-08-10 오후 6:09:08

 1 물질의 구조와 성질
1단계 생각 펼치기
불꽃놀이나 조명등에서 어떻게
다양한 색의 빛이 나올까?

2단계 해결하기 3단계 생각 모으기 4단계 생각 넓히기

원자와 전기력, 에너지 준위, 1. 개념 정리
그래핀 반도체
전기 전도성, 다이오드 2. 아하! 그렇구나

알고 있나요?

원자의 구성 요소는 무엇인가?

우리 생활에서 전기 에너지를 빛에너지로 전환하는 전기 기구에는 어떤 것이 있는가?

햇빛을 프리즘에 통과시켰을 때 나타나는 색은 어떠한가?

불꽃놀이나 조명등에서 어떻게 다양한 색의 빛이 나올까?

생각 펼치기

매년 전국의 곳곳에서는 빛과 관련된 다양한 축제가 열린다. 대표적인 것이

불꽃놀이다. 불꽃놀이는 높이 쏘아 올려진 폭죽이 폭발할 때 나는 큰 소리
와 함께 다양한 색깔의 폭죽이 꽃이 피듯이 밤하늘을 수놓는다. 밤바다에
서 하늘을 향해 뿜어져 나오는 분수와 같은 형형색색의 빛줄기는 환상적
인 풍경을 만든다. 또한, 전국의 관광 명소에서 펼쳐지는 빛 축제도 빼놓
을 수가 없는데, 수많은 조명등의 다양한 색의 빛이 그려내는 아름다운
모습은 한 폭의 그림과 같다.

82 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 82 2018-08-10 오후 6:09:15

 생각해 볼까요?

불꽃놀이의 불꽃이나 조명등의 색깔이 다양한 까닭은 무엇일까?

빛이 방출될 때, 원자에는 어떤 변화가 있을까?

가열된 고체나 기체에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 어떻게 다를까?

불꽃놀이에서 다양한 색깔의 빛은 금속의 불꽃 반응을 이용한 것으로 폭죽에

넣은 금속의 종류에 따라 빨간색, 초록색, 보라색 등 다양하게 나타난다. 또한,
광고나 장식용으로 이용되는 네온사인(그림 II - 1)은 다양한 모양으로 구부린 유
리관에 기체를 넣고 고전압을 걸어 방전시키는데, 유리관에 넣은 기체의 종류에
따라 주황색, 노란색, 흰색 등 다양한 색의 빛이 방출된다. 요즘 많이 이용되는
발광 다이오드(LED; Light Emitting Diode, 그림 II - 2)는 반도체를 이용한
것으로 특정한 파장의 빛을 방출하는데, 여러 색의 발광 다이오드를 함께 배열하
면 원하는 색깔로 조명을 꾸밀 수 있다.

그림 II - 1 네온사인 그림 II - 2 발광 다이오드(LED)

이 단원을 공부하면 우리는

나는 이 단원에서
1. 전자가 원자에 속박되어 있음을 전기력을 이용하여 설명할 수 있습니다.

2. 원자 내 전자는 불연속적 에너지 준위를 가지고 있음을 설명할 수 있습니다.

3. 고체의 에너지띠 이론으로 도체, 반도체, 절연체 등의 차이를 구분할 수 있습니다.

4. 여러 가지 고체의 전기 전도성을 비교하는 탐구를 수행할 수 있습니다.

5. 종류가 다른 원소를 이용하여 반도체 소자를 만들 수 있음을 다이오드를 이용하여 설

명할 수 있습니다. 을(를) 익히겠다.

1. 물질의 구조와 성질 83

금성교과서(물리I).indb 83 2018-08-10 오후 6:09:17

 해결하기 1 원자가 안정성을 유지하는 까닭은
무엇일까?
학습 목표 | 원자가 전기력에 의해 안정성을 유
지할 수 있음을 설명할 수 있다.

태양계의 여러 행성은 오른쪽 그림처럼 태양을 중심으로 안정적인 궤도

를 돌고 있다. 또한 원자핵과 전자로 구성된 원자도 안정성을 유지하고 있다.

짝 토의 원자가 안정성을 유지할 수 있는 까닭은 무엇일까?

원자는 전기적으로 중성이지만 원자핵은 양(+)전하를, 전자는 음

(-)전하를 띠고 있어서 전기력이 작용한다. 전기력은 어떤 특징이 있
는지 다음 활동을 통해 알아보자.

탐구 ➊ 실험 전기력의 특징 탐구 능력

목표 마찰 전기 실험을 통해 전기력의 특징을 설명할 수 있다.

준비물 플라스틱 막대, 털가죽, 전기 진자

과정

플라스틱 막대를 털가죽으로 문질러서 대전한 다음, 플라스틱 막대를 전기 진자에

접촉하여 진자를 모두 (-)전하로 대전하여 어떻게 움직이는지 관찰하자. 물리는 통한다!

플라스틱 막대를 털가죽으로 문지른 횟수를 달리한 후 금속구에 접촉해 대전된 양 플라스틱 막대를 털가죽으로
을 변화시키자. 또 두 금속구 사이의 거리를 변화시킨 다음 금속구가 어떻게 움직 문지르면 털가죽은 (+)전하
를, 플라스틱 막대는 (-)전하
이는지 관찰하자.
를 띠게 된다. (▶ 중 2 과학,
진자 하나에는 털가죽을 접촉해 (+)전하로 대전하고, 다른 하나에는 플라스틱 막 전기와 자기)
대를 접촉해 (-)전하로 대전한 뒤, 과정 , 를 반복해 보자.
과정 과정

결과 및 정리

1. 같은 전하를 대전시켰을 때와 다른 전하를 대전시켰을 때, 대전된 진자는 어떻게 움직이는가? 자기 평가

2. 대전된 진자의 거리가 가까울 때와 멀리 있을 때, 진자에 작용하는 힘이 어떻게 바뀌는가? 1. 전기력에 의한 금속구의 움직임의
변화를 관찰하였는가?
3. 플라스틱 막대에 털가죽을 많이 마찰할 때와 조금 마찰할 때, 진자에 작용하는 힘은 어떻게
2. 금 속구 사이의 거리와 금속구에
달라지는가?
대전된 전하량에 따른 전기력의
4. 위의 실험 결과를 통해 전기력은 어떤 특징이 있는지 설명해 보자. 특징을 설명할 수 있는가?

84 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 84 2018-08-10 오후 6:09:23

 전기력은 전하를 띤 두 물체 사이에 작용하는 힘으로서, 같은 전하끼리는 척력
이 다른 전하끼리는 인력이 작용한다. 전기력은 두 물체의 전하량에 비례하고 물
체 사이의 거리 제곱에 반비례한다.

탐구 ➋ 토의 만유인력과 전기력의 비교 문제 해결력 의사소통 능력

목표 만유인력과의 비교를 통하여 전기력의 특징을 설명할 수 있다.

17세기에 뉴턴은 질량을 가진 모든 물체는 서로 끌어당기는 힘이 있음을 밝히고 그 힘

을 ‘만유인력’이라고 하였다. 18세기에 쿨롱(Coulomb, C. A., 1736~1806)은 두 전하
사이에는 전하량의 곱에 비례하고, 거리 제곱에 반비례하는 전기력이 작용한다고 하였
다. 전기력과 만유인력은 어떤 공통점과 차이점이 있는지 토의해 보자.

(가) 만유인력 (나) 전기력

1. 만유인력과 전기력의 공통점과 차이점을 이야기해 보자.

2. 전하를 띤 물체가 움직이는 경우 전기력이 인력으로 작용하면 그 물체는 어떻게 운동하는가?
이를 통해 원자핵과 전자로 이루어진 원자가 일정한 크기를 갖는 까닭을 설명해 보자.

태양계의 행성들이 태양의 만유인력에 의해 속박되어 안정된 궤도

를 돌고 있는 것처럼 원자 내의 전자도 그림 II - 3과 같이 원자핵과의
전기력에 의해 속박되어 일정한 범위 안에 존재하게 된다.
만약 태양계의 행성이 정지하고 있다면 만유인력에 의해 태양으로
끌려가 충돌하겠지만 운동하고 있으므로 일정한 범위의 거리를 유지
하고 있다. 마찬가지로 전자도 계속 운동하고 있으므로 원자핵과 일정
한 범위의 거리를 유지하며 안정된 상태의 원자를 이루고 있다고 생각
할 수 있다.
그림 II - 3 원자의 구조
확인하기
핵심 역량 평가하기
원자가 일정한 크기와 안정성을 유
1. 이해 원자 내의 전자가 일정한 범위 안에 존재하는 것은 무엇 때문인가?
지할 수 있는 까닭을 추론하여 설명
2. 적용 원자 두 개가 결합하여 분자를 이루는 경우에는 원자 내부의 전자는 어떻게 분포 할 수 있다.
해야 하는지 설명해 보자.

1. 물질의 구조와 성질 85

금성교과서(물리I).indb 85 2018-08-10 오후 6:09:23

 해결하기 2 원자의 내부 구조를 어떻게
알아내었을까?
학습 목표 | 원자 모형의 발전 과정을 근거와
함께 설명할 수 있다.

준비하기 들어가기

•교과서 88~89쪽의 디딤 다음의 원자 모형 그림과 그것을 주장한 사람이 일치하도록 선을 연결하여 보자.
자료를 읽고, 원자 모형을
알아보자.

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돌턴 J.J. 톰슨 러더퍼드 보어 현대 과학자들

모둠 활동 역할극 원자의 내부 구조를 연구한 과학자들 문제 해결력 의사소통 능력

목표 원자 모형의 발전 과정을 정리하고, 과학의 본성을 표현할 수 있다.

1. 4개의 모둠으로 나누어 각 모둠이 어떤 과학자의 역할을 할 것인지 정하자.

2. 모둠별로 그 과학자가 주장한 원자 모형과 그 근거를 오른쪽 표에 적어 보자.
3. 각 모둠이 선택한 과학자가 되어 어떤 근거로 그와 같은 원자 모형을 주장하였는지를 발표하
여 보자(역할극을 위해 팻말, 과학자 사진, 원자 모형 등을 출력하여 준비하자.).

4. 다른 모둠이 발표할 때 경청하며 다른 과학자들의 원자 모형과 그 근거를 오른쪽 표에 정리해 보자.

모둠 모둠
모둠
모둠

86 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 86 2018-08-10 오후 6:09:23

 발표 연도 과학자 원자 모형 근거

J. J. 톰슨

러더퍼드

보어

슈뢰딩거 외 현대 과학자들

정리

1. 각 과학자가 주장한 원자 모형에서 전기력이 원자를 이루는 데 어떤 역할을 하고 있는지 설

명해 보자.

자기 평가

오늘 수업을 통해 과학의 본성에 대한 다음 내용 중 자신이 알게 된 것에 표시하시오.

우리가 사는 세계를 이해할 수 있다.

과학 개념들은 변화한다.
과학적 세계관
과학 지식은 영속성이 있다.
과학이 모든 문제에 완벽한 답을 제시할 수는 없다.
과학은 증거를 요구한다.
과학은 논리와 상상력의 조화이다.
과학적 탐구 과학은 현상을 설명하고 예측한다.
과학자들은 편견을 피하고자 노력한다.
과학은 권위적이지 않다.

확인하기
핵심 역량 평가하기
각 과학자들이 주장한 원자 모형을
1. 이해 현대의 과학자들은 원자가 어떠한 구조로 되어 있다고 설명하는가?
근거와 함께 설명할 수 있다.
2. 적용 톰슨은 자신이 발견한 입자인 전자의 질량이 수소 원자 질량의 1800 배나 가벼운
입자라는 것을 어떻게 알게 되었을까?

1. 물질의 구조와 성질 87

금성교과서(물리I).indb 87 2018-08-10 오후 6:09:24

 디딤 자료
원자 모형의 변천사

1. 톰슨의 원자 모형
돌턴(Dalton, J., 1766~1844)은 원자는 더 이상 쪼갤 도 휘어졌는데, 그 휘어지는 정도를 전기장에 의해 휘어지는
수 없는 가장 작은 단위라고 생각하였지만, 1897년에 J. J. 정도와 비교하여 계산하여 보니 그 입자들의 질량은 수소 원
톰슨(Thompson , J . J ., 1856 ~1940 )은 그림 II - 4 와 자 질량의 1800배나 가벼운 입자라는 것을 알아내었다. 후에
같은 장치로 음극선을 연구하며 그렇지 않다는 것을 톰슨이 발견한 (-)전하를 띠는 이 입자를 전자라고 하였다.
알게 되었다. 진공관 내부에 있는 양쪽 전극에 전압이 톰슨은 그가 발견한 전자와 수소 이온을 바탕으로
걸리면 (+)전극에서 (-)전극까지 광선이 생긴다. 톰슨 1903년에 원자 모형을 제시하였다. 원자 전체는 중성이
은 그 광선이 전기장에 의해 휘어지는 것을 통해 그 광선 므로, (+)전하는 푸딩처럼 원자 전체에 고르게 퍼져있
은 단순한 빛이 아니라 (-)전하를 띠고 있는 입자들의 으며 (-)전하를 띠는 입자는 푸딩에 건포도처럼 박혀
흐름이라고 생각하였다. 그리고 그 광선은 자기장에 의해서 있을 것이라고 생각했다.

그림 II - 4 J. J. 톰슨의 음극선 실험

2. 러더퍼드의 원자 모형
1909년에 러더퍼드(Rutherford, E., 1871~1937) 로 휘거나 다시 튕겨 나오기도 하였다. 러더퍼드는 이러한 실
는 원자의 내부 구조가 톰슨의 모형보다 더 복잡할 것이 험 결과가 원자에 포함된 양전하가 모두 아주 작은 부피 속에
라고 생각하고, 그림 II -5와 같이 금으로 된 아주 얇은 박 모여 있지 않으면 설명될 수 없다는 것을 알게 되었다.
막에 알파 붕괴 때 나오는 헬륨의 원자핵인 알파(a) 입자 이러한 실험을 바탕으로 1911년에 러더퍼드는 새로운
를 쏘아 산란시키는 실험을 하였다. 톰슨의 모형에 따르면, 전 원자 모형을 제안하였는데, 원자의 중심에는 (+)전하를 띤
자의 질량은 매우 작고 양전하는 원자 전체에 넓게 퍼져 분포 원자핵이 있고, 그 주위에 (-)전하를 띤 전자가 있다는
하고 있으므로, 알파(a) 입자를 쏘면 대부분의 알파 입자들은 것이다. 전자가 전기력에 의해 원자핵에 끌려가지 않고
직진하지만 전자를 만날 경우 아주 약간만 휠 것으로 예상하였 원자가 안정성을 가지는 것은 태양계의 행성과 같이 전
다. 그러나 놀랍게도 적은 수의 알파(a) 입자들은 매우 큰 각도 자가 원자핵 주위를 돌고 있기 때문이라고 제안하였다.

그림 II - 5 러더퍼드의 알파(a) 입자 산란 실험

88 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 88 2018-08-10 오후 6:09:26

 3. 보어의 원자 모형
원자 속에 태양계와 같은 형태가 다시 존재한다는 러 지를 가질 수 있는 것이 아니라 그림 II -6처럼 불연속적
더퍼드의 모형은 당시에 많은 과학자들의 놀라움과 감 인 값을 가지는 특정한 상태의 궤도에서만 존재할 수 있
탄을 받았지만, 곧 문제점이 발견되었다. 가속 운동하는 다는 것이다. 이 경우 전자는 전자기파를 방출하지 않고
전하는 외부로 전자기파를 방출하면서 에너지를 밖으로 안정된 상태를 유지한다. 두 번째 가정은 전자는 한 궤
내보낸다. 즉, 러더퍼드의 주장대로라면 원자핵의 주위 도에서 다른 궤도로 전이할 때, 빛의 형태로 에너지를
를 회전하는 전자가 가속 운동을 하고 있어서 운동 에너 방출하거나 흡수한다는 것이다. 전자가 아래 궤도에서
지를 잃고 궤도가 쪼그라들어 원자핵과 충돌하게 되는 위 궤도로 갈 때에는 에너지를 흡수하고, 위 궤도에서
결과가 나타나야 하지만 실제로는 그렇지 않다. 아래 궤도로 떨어질 때는 에너지를 방출하게 된다. 이러
그래서 1913 년에 보어(Bohr, N. H. D., 1885~1962) 한 가정은 러더퍼드의 원자 모형의 문제점을 해결하고
는 러더퍼드의 원자 모형의 문제점을 해결하기 위해 2 당시에 알려진 수소 원자의 선 스펙트럼을 잘 설명할 수
가지 가정을 하였다. 첫 번째 가정은 전자가 모든 에너 있었지만, 왜 그러한 가정을 하였는지는 설명할 수 없었다.

그림 II - 6 보어의 원자 모형

4. 현대의 원자 모형
보어의 원자 모형은 수소 원자의 선 스펙트럼은 잘 라 파동 함수로 기술하여 보어 모델이 설명하지 못했던
설명할 수 있었지만, 다른 원자들의 선 스펙트럼을 설명 많은 스펙트럼 현상을 훌륭하게 설명하였다. 그 이후 하
할 수 없었다. 1924년에 드브로이(de Broglie, L. V., 이젠베르크(Heisenberg, W. K., 1901~1976), 보른
1892~1987)는 빛이 파동이면서 입자의 성질을 가진다 (Born, M., 1882~1970) 등의 과학자에 의해 양자 역
면 전자도 입자이지만 파동의 성질을 가진다고 제안했다. 학이 발전하였고, 그 결과 그림 II -7과 같이 전자 궤도는
KKdinger, E., 1887~1961)
1926년에 슈뢰딩거(Schro 존재하지 않고 오직 전자를 발견할 확률만을 알 수 있다
에 의해 발표된 슈뢰딩거 방정식은 전자를 입자가 아니 는 현대의 원자 모형이 성립되었다.

그림 II - 7 현대의 원자 모형

1. 물질의 구조와 성질 89

금성교과서(물리I).indb 89 2018-08-10 오후 6:09:27

 해결하기 3 기체 원자에서 방출되는 빛은
어떤 특징이 있을까?
학습 목표 | 기체 방전관에서 방출되는 빛의
스펙트럼의 특징을 설명할 수 있다.

밤이 되면 거리에는 하나둘씩 불이 밝혀지는데 이들 불빛은 다양한 색깔

로 빛난다. 흰색 빛을 내는 것에서부터 빨간색, 노란색, 파란색 등 형형색
색의 빛을 내는 전등이 거리를 밝히고 있는 것을 볼 수 있다.

짝 토의 전등이 내는 형형색색의 빛은 햇빛과는 어떻게 다를까?

햇빛을 분광기로 보면 무지개처럼 여러 가지 색이 연속적으로 나타나는

것을 볼 수 있다. 그러면 기체 방전관이나 발광 다이오드(LED)에서 방출되는
빛을 분광기로 보면 햇빛을 볼 때와는 어떻게 다른지 알아보자.

탐구 ❸ 실험 빛의 스펙트럼 관찰 탐구 능력

목표 여러 가지 광원에서 방출되는 빛의 스펙트럼의 차이를 설명할 수 있다.

준비물 기체 방전관(수소, 헬륨, 네온), 백열등, 흰색 발광 다이오드(LED),

초록색 발광 다이오드(LED), 간이 분광기

과정

간이 분광기로 햇빛과 백열등을 관찰해

보자.
여러 가지 기체 방전관과 발광 다이오드
(LED)에서 방출되는 빛을 간이 분광기
로 관찰하여 보자.
여러 가지 광원을 간이 분광기로 관찰한 결
과를 아래 표에 정리해 보자.

광원의 종류 분광기를 통해 관찰한 모습 스펙트럼의 특징

400 500 600 700(nm)
햇빛 무지갯빛 색깔이 연속적으로 퍼져 있다.

400 500 600 700(nm)

백열등

400 500 600 700(nm)

수소 기체 방전관

400 500 600 700(nm)

헬륨 기체 방전관

400 500 600 700(nm)

네온 기체 방전관

400 500 600 700(nm)

흰색 발광 다이오드(LED)

400 500 600 700(nm)

초록색 발광 다이오드(LED)

90 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 90 2018-08-10 오후 6:09:30

 정리 5 분 안전

1. 광원의 종류에 따라 빛의 스펙트럼이 어떻게 다른지 설명해 보자. 1. 기체 방전관은 고전압을 사
용하므로 주의한다.
2. 기체 방전관에 들어 있는 기체의 종류에 따라 스펙트럼에는 어떤 차이가 있는가? 차이가 나
2. 햇빛을 관찰할 때는 직접 태
는 까닭은 무엇인가? 양을 보지 않도록 한다.

자기 평가

1. 관찰한 결과를 표에 잘 정리하였는가?

2. 햇빛과 기체 방전관에서 나오는 빛의 스펙트럼이 어떻게 다른지 설명할 수 있는가?

물리는 통한다!

스펙트럼이란 파장에 따라 분
산된 빛의 띠를 말한다. (▶ 중 2
과학, 물질의 구성, ▶ 통합과
학, 물질의 규칙성과 결합)
(가) 연속 스펙트럼 (나) 선 스펙트럼
그림 II - 8 연속 스펙트럼과 선 스펙트럼

햇빛이나 백열등과 같이 가열된 고체나 액체에서 방출되는 빛을 분광기로 관찰

해 보면 그림 II - 8의 (가)와 같이 빛의 색이 연속되어 나타나는데, 이를 연속 스펙
트럼이라고 한다. 반면 그림 II - 8의 (나)와 같이 높은 전압을 걸어 준 기체 방전관
에서는 특정한 색의 빛이 띄엄띄엄 선으로 나타나는데 이를 선 스펙트럼이라고 한
다. 그림 II -9와 같이 띄엄띄엄 나타나는 선의 수와 위치, 간격이 원소마다 서로 다
르다. 이러한 특성을 이용하면 물질을 구성하는 원소의 종류를 알 수 있다.

그림 II - 9 여러 원소의 선 스펙트럼

확인하기
핵심 역량 평가하기
여러 광원에서 방출되는 빛을 분광
1. 이해 가열된 고체와 기체에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 어떻게 다른가?
기로 관찰하여 광원에 따른 빛의 스
2. 적용 광고나 장식용으로 이용되는 네온사인이 내는 빛의 색은 빨간색, 노란색, 주황색, 펙트럼의 특징을 설명할 수 있다.
청록색 등 다양하다. 네온사인이 다양한 색깔의 빛을 내는 까닭은 무엇일까?

1. 물질의 구조와 성질 91

금성교과서(물리I).indb 91 2018-08-10 오후 6:09:30

 해결하기 4 원자 내 전자가 가지는 에너지는
어떻게 분포할까?
학습 목표 | 원자 내 전자는 불연속적인 에너
지 준위를 가지고 있음을 설명할 수 있다.

인공위성들은 여러 궤도로 지구 주위를 돌고 있다. 이것들을 쏘아 올릴

때 필요한 에너지는 어느 궤도에 올려놓는가에 따라 다르지만, 어느 궤도
에나 올려놓는 것이 가능하다. 이처럼 원자핵 주위를 돌고 있는 전자도 어
느 궤도에나 있을 수 있을까?


짝 토의 만약 전자가 원자핵 주위의 어느 궤도에나 있을 수 있다면 원자에서 방
출되는 빛의 스펙트럼은 어떻게 나타날까?

에너지 양자화
기체 원자에서 방출되는 빛의 색깔이 띄엄띄엄한 선으로 나타나는 것을
앞에서 관찰하였다. 그 까닭을 알아보자.

탐구 ➍ 자료 해석 원자에서 빛의 방출 사고력

목표 원자 내 전자가 가지는 에너지가 불연속임을 설명할 수 있다.

그림 (가)는 계단에서 공을 떨어뜨리는 것을, 그림 (나)는 원자 모형에서 전자가 높은 인터넷 활용하기

에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어지는 것을 나타낸 것이다. 자료를 읽고 토의해 인터넷에서 ‘불연속 스펙트럼’에
보자. 대한 동영상을 찾아서 시청하자.

(가) (나)

1. ‌그림 (가)와 같이 계단에 놓은 공은 퍼텐셜 에너지가 높은 곳에서 퍼텐셜 에너지가 낮

은 곳으로 내려오게 된다. 공은 어느 계단에든 놓여 있을 수 있지만, 계단과 계단 사이
에 머물러 있을 수는 없다.
2. ‌그림 (나)와 같이 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 에너지가 높은 궤도에서 에너지가
낮은 궤도로 이동하면 빛이 방출된다. 이때 방출되는 빛에너지는 두 궤도에서 전자가
가지는 에너지의 차와 같다.

1. 그림 (가)에서 계단에 놓여 있는 공의 퍼텐셜 에너지는 어떤 값들이 가능할까? 또, 공의 퍼텐

셜 에너지의 차이로 가능한 값은 몇 가지일까?

92 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 92 2018-08-10 오후 6:09:31

 2. 그림 (나)와 같이 원자에서 빛이 방출될 때, 전자의 에너지는 어떻게 변하는가?
3. 원자 내 전자가 어떠한 에너지라도 가질 수 있다면, 원자에서 방출되는 빛에너지는 어떻게 분
포하게 되는가?

4. 기체 원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼이 띄엄띄엄 선으로 나타나기 위해서는 원자 내 전자

가 가지는 에너지는 어떻게 분포하여야 하는지 토의해 보자.

5. 그림 (가), 그림 (나)의 공통점과 차이점을 토의해 보자.

러더퍼드의 원자 모형으로는 원자의 안정성은 물론 기체 원자의 선 스펙트럼도

설명할 수 없는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 보어는 1913년
그 당시 알려져 있던 양자 개념을 바탕으로 새로운 원자 모형을 제안하였다.
보어는 원자핵을 중심으로 돌고 있는 전자는 아무 곳에나 존재하는 것이 아니
라 그림 II - 10의 (가)와 같이 특정한 조건을 만족하는 궤도에만 있을 수 있다고 제
안하였다. 원자핵에서 가까운 궤도부터 n=1, 2, 3, y인 궤도라 하고, 정수 n을
양자수라고 한다. 전자가 각 양자수에 해당하는 궤도에만 있을 수 있으므로 전자
는 양자수와 관련된 특정한 에너지값만 가진다. 이것을 에너지 양자화라고 한다.

(가) 전자 궤도 (나) 에너지 준위

그림 II - 10 원자 내 전자가 존재하는 전자 궤도와 에너지 준위

원자 내 전자가 가지는 에너지를 낮은 에너지 상태에서부터 단계적으로 나열한 것을

에너지 준위라고 하며, 그림 II - 10의 (나)와 같이 양자수 n에 따라 E1, E2, E3, y,
En으로 불연속으로 분포한다. 이와 같이 원자의 에너지는 양자화되어 있다.

확인하기
핵심 역량 평가하기
기체 원자에서 방출하는 빛의 스펙
1. 이해 보어의 원자 모형에서 양자수가 클수록 전자의 에너지는 어떻게 되는가?
트럼이 띄엄띄엄 선으로 나타나는
2. 적용 기체 원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼이 띄엄띄엄 선으로 나타나는 까닭은 무엇 까닭을 추론할 수 있다.
인가?

1. 물질의 구조와 성질 93

금성교과서(물리I).indb 93 2018-08-10 오후 6:09:31

 전자의 전이와 빛의 흡수, 방출
전자가 에너지 준위가 다른 궤도로 이동하는 것을 전이라고 하는데, 그림 II - 11 광자의 에너지와 파장
진공에서 빛의 속력을 c, 진동수를 f,
의 (가)와 같이 빛에너지를 흡수하면 전자는 낮은 에너지 준위에서 높은 에너지 파장을 k라 하면, 다음과 같은 관계가
성립한다.
준위로 전이하게 되고, 그림 II - 11의 (나)와 같이 빛에너지를 방출하면 전자는 높
c=k f
은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 전이한다. 이때 흡수하거나 방출하는 빛 광자 한 개의 에너지는 E= hc 로 나
k
에너지는 전이하는 두 에너지 준위의 차와 같다. 전자가 전이할 때 흡수하거나 방 타낼 수도 있다.

출하는 빛, 즉 광자 한 개의 에너지 E는 진동수 f 에 비례한다.

E = hf (플랑크 상수 h=6.63\10_#$`JK s)

전자가 가장 낮은 에너지 준위에 있는 상태를 바닥상태라고 하고, 바닥상태에

있는 전자가 에너지를 흡수하여 높은 에너지 준위로 올라가 있는 상태를 들뜬상
태라고 한다.

(가) 에너지 흡수

(나) 에너지 방출

그림 II - 11 전자의 전이와 에너지 출입 관계

보어의 원자 모형에 의하면 원자 내 전자가 불연속적인 에너지 준위에만 있으

므로 기체 원자에서 방출되는 빛의 스펙트럼은 연속 스펙트럼이 나타나지 않고
선 스펙트럼이 나타나는 것을 잘 설명할 수 있다.
가장 간단한 구조를 가진 수소 원자는 원자핵과 전자 1개로 구성되어 있는데,
들뜬상태에 있는 전자가 전이하면서 나타내는 수소의 선 스펙트럼을 보어의 원
자 모형을 이용하여 해석해 보자.

94 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 94 2018-08-10 오후 6:09:31

 탐구 ➎ 자료 해석 보어의 원자 모형에 따른 수소 원자의 선 스펙트럼 문제 해결력

목표 수소의 선 스펙트럼을 보어의 원자 모형을 이용하여 설명할 수 있다.

아래에 주어진 자료를 읽고 해석해 보자.

전자볼트(eV)
그림 (가)는 보어의 수소 원자 모형에서 양자수에 따른 에너지와 전자 전이를 나타낸 에너지의 크기를 나타내는 단위 중
것이다. 수소 원자의 스펙트럼 계열은 크게 자외선 영역의 라이먼 계열, 가시광선과 자외 하나이다. 전자와 같이 기본 전하량 e
를 갖는 입자를 정지 상태에서 1`V
선 영역의 발머 계열, 적외선 영역의 파셴 계열 등이 있다.
의 전위차로 가속시켰을 때 얻는 운
그림 (나)는 수소가 들어 있는 기체 방전관에서 방출되는 빛을 분광기로 관찰했을 때 동 에너지를 1 전자볼트(electron
나타난 가시광선 영역의 스펙트럼이다. Volt)라고 하고, 1`eV로 표기한다.
1`eV = 1.6\10_!(`J

(가) 수소의 에너지 분포와 전자 전이

(나) 가시광선 영역 스펙트럼

1. 들뜬상태의 전자가 다음과 같이 전이할 때, 방출되는 빛은 어느 스펙트럼 계열에 속하는지 알아

보고, 각각의 경우 방출되는 빛에너지를 비교해 보자.
⑴ n=2 → n=1   ⑵ n=3 → n=2   ⑶ n=4 → n=3

2. 그림 (나)의 스펙트럼선 4개는 각각 전자가 어느 궤도에서 n=2인 궤도로 전이한 경우인지 찾
아보고, 선 사이의 간격이 다른 까닭이 무엇인지 생각해 보자.

확인하기
핵심 역량 평가하기
들뜬상태에 있는 전자가 전이하면서
1.1 이해 수소 원자 내 전자가 –0.85`eV인 에너지를 가진 상태에서 –3.40`eV인 에너지
나타내는 수소의 선 스펙트럼을 보
를 갖는 상태로 전이할 때 방출되는 빛에너지와 진동수는 각각 얼마인가?
어의 원자 모형으로 해석할 수 있다.
2.1 적용 기체 방전관에서 나타나는 여러 기체의 선 스펙트럼의 선의 위치와 개수가 다른
까닭은 무엇인가?

1. 물질의 구조와 성질 95

금성교과서(물리I).indb 95 2018-08-10 오후 6:09:31

 해결하기 5 고체를 이루는 원자들의 에너지
준위는 어떻게 다를까?
학습 목표 | 고체의 에너지띠가 생기는 까닭
을 설명할 수 있다.

송전탑의 전깃줄은 기둥이나 벽에 애자라고 하는 절연체로 고정되어 있다.

절연체가 없다면 전깃줄에 흐르는 전류가 지면으로 흘러서 매우 위험하다.

짝 토의 도체와 절연체의 차이가 생기는 까닭은 무엇일까?

우리 주변의 물질에는 전류가 흐르는 물질과 흐르지 않는 물질이 있다.

물질에 전류를 흘려 주었을 때 전류가 얼마나 잘 흐르는지 나타내는 것이
전기 전도성이며 이를 수치화한 것이 전기 전도도 이다. 다음 탐구를 통하여 물질 전기 전도도
전기 전도도는 물질에서 전류가 잘
들의 전기 전도성을 비교해 보자. 흐르는 정도를 나타내며, 물질의 고유
한 성질이다.

탐구 ➏ 실험 고체의 전기 전도성 비교 탐구 능력

목표 여러 가지 고체에 흐르는 전류를 측정하여 전기 전도성을 비교할 수 있다.

준비물 집게 달린 전선, 전지, 스위치, 구리선(50`cm), 철사(50`cm), 가는 유리 막대, 가는

나무 막대, 샤프심, 전류계

과정

전지, 구리선, 스위치, 전류계, 집게 달린 전선을 이용하여 아래 그림과 같이 실험

장치를 설치하자.
스위치를 닫아 회로에 흐르는 전류를 전류계로 측정하자.
구리선 대신에 철사, 가는 유리 막대, 가는 나무 막대, 샤프심 등을 사용하여 과
정 를 반복하자. 샤프심의 경우는 연결한 직후의 값을 측정하자.

96 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 96 2018-08-10 오후 6:09:35

 전류계로 측정한 전류의 값을 다음 표에 기록하고 전기 전도성을 비교해 보자.
고체 전류의 값 전기 전도성
구리선
철사
가는 나무 막대
가는 유리 막대
샤프심

결과 및 정리

1. 어떤 물질이 전류가 잘 흐르고 또 어떤 물질은 잘 흐르지 않는가?

2. 물체에 흐르는 전류와 전기 전도성에는 어떤 관련성이 있을까?
3. 전기 전도성이 큰 물질, 작은 물질 그리고 그 중간인 물질로 구분해 보자.

자기 평가

1. 전류계로 측정한 전류의 값을 표에 잘 정리하였는가?

2. 물체에 흐르는 전류와 전기 전도성의 관련성을 설명할 수 있는가?

고체의 전기 전도도가 다른 까닭은 고체를 이루는 원자들의 에너지 준위와 연관

이 많다. 기체의 에너지 준위는 불연속한 에너지 준위가 선으로 존재한다는 것을
알 수 있었다. 고체의 경우에는 에너지 준위가 어떻게 변화할지 알아보자.

(가) (나) (다)

그림 II - 12 고체의 에너지 준위가 띠로 나타나는 까닭

원자들이 멀리 떨어져 있는 기체의 경우에는 한 원자가 다른 원자에 영향을 주지

않으므로 전자의 에너지 준위가 그림 II - 12의 (가)와 같이 원자 하나에 의해서만
결정된다.
그러나 고체의 경우에는 원자들의 거리가 가까우므로 전자의 에너지 준위가 다
른 원자의 영향을 받기 시작한다. 파울리 배타 원리 에 따르면 같은 양자 상태에 파울리 배타 원리(Pauli exclusion
principle)
전자는 2개 이상 들어갈 수 없어 원자들을 이루는 전자들의 에너지 준위는 미세 볼프강 파울리(Pauli, W., 1900~
1958)가 제창한 양자 역학적 원리로
하게 갈라지며 배치된다. 원자가 2개일 때는 그림 II - 12의 (나)처럼 에너지 준위
같은 양자 상태에 2개 이상의 전자가
가 미세한 차이로 둘로 갈라진다. 원자의 수가 무수히 많아지면 (다)와 같이 에너 있을 수 없다는 원리이다.

지 준위는 거의 연속적인 띠를 이룬다.

1. 물질의 구조와 성질 97

금성교과서(물리I).indb 97 2018-08-10 오후 6:09:35

 결국 고체의 경우에는 원자들이 독립적으로 떨어져 있던 상태와 달리 에너지 표 II - 1 여러 고체의 띠 간격

준위가 일정한 폭을 가진다. 이렇게 폭을 가진 에너지 준위를 에너지띠라 하고, 고체 띠 간격(eV), 302`K

황화 납(PbS) 0.37
에너지띠 사이에 전자가 배치되지 않는 에너지 간격을 띠 간격이라 한다.
저마늄(Ge) 0.67
절대 온도 0`K에서 원자의 제일 바깥쪽에 해당하는 전자가 차지하고 있는 에너 규소(Si) 1.11

지띠를 원자가 띠, 원자가 띠 위에 전자가 채워져 있지 않은 에너지띠를 전도띠라고 다이아몬드(C) 5.5

이산화 규소(SiO2) 9
한다. 표 II - 1처럼 고체마다 원자가 띠와 전도띠 사이의 띠 간격이 다르므로, 이에
[출처: solid state electronic
따라 고체의 전기 전도성이 달라진다.
Devices, 2000]

(가) 도체 (나) 반도체 (다) 절연체

그림 II - 13 도체, 반도체, 절연체의 에너지띠

도체는 전기가 잘 통하는 물질로 그림 II - 13의 (가)와 같이 원자가 띠와 전도띠

가 겹쳐 있거나 원자가 띠의 일부가 비어 있어 외부에서 양쪽에 전압을 걸어주면
쉽게 전자가 이동할 수 있다. 금속은 이러한 성질이 있기 때문에 모두 도체가 된
다. 또한, 금속의 자유 전자는 열에너지 공급을 통해서도 쉽게 이동하므로, 금속
은 높은 열전도도를 가진다.
반도체는 그림 II - 13의 (나)와 같이 전도띠에 전자가 전혀 채워져 있지 않으나,
띠 간격이 크지 않아서 온도가 올라가면 원자가 띠의 일부 전자들이 쉽게 전도띠
로 이동하여 전도성을 갖게 되는 물질이다. 따라서 반도체 물질은 온도가 올라갈
수록 전기 전도성이 커지게 된다.
절연체는 전류가 잘 흐르지 못하는 물질로 그림 II - 13의 (다)와 같이 띠 간격이
매우 커서 일상적인 온도에서나 전기 에너지 공급을 통해서는 원자가 띠의 전자
들이 전도띠로 이동할 수 없어서 전기 전도성이 거의 없다.

확인하기
핵심 역량 평가하기
실험으로 전기 전도도가 큰 물질, 작
1. 이해 기체와 고체의 에너지 준위는 어떻게 다른가?
은 물질, 그 중간인 물질을 구분할
2. 적용 상온에서 저마늄(Ge)과 다이아몬드(C)의 띠 간격은 각각 0.67`eV, 5.5`eV이다. 수 있다.
저마늄(Ge)과 다이아몬드(C)의 전기 전도성을 비교하시오.

98 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 98 2018-08-10 오후 6:09:35

 세상을 바꾸는
물리 고체의 광학적 성질 과학과 예술

고체들은 고체의 종류에 따라 매우 다른 특징을 가지고 거리는 은백색의 광택이 있다. 이것은 금속에서는 전자의
있다. 에너지띠에 의해서 고체의 가장 대표적인 특성인 전 에너지 준위가 연속적으로 있어서 대부분 빛의 파장을 흡수
기 전도도의 차이가 생긴다. 이러한 특성 외에도 고체 대부 했다가 방출하기 때문이다.
분의 성질은 고체의 에너지띠 구조에 의해 결정된다. 고체 반면 그림 II - 14의 (나)와 같이 일부 금속은 금색을 띠는
의 전기 전도도뿐만 아니라 열전도도, 광학적 성질, 자기적 것을 볼 수 있다. 그 까닭은 특정 에너지띠에 의해 파장이 약
성질, 탄성 등도 에너지띠에 의해서 생기는 성질이다. 600`nm 이하인 빛의 반사율이 급격히 떨어지기 때문이다.
예를 들어 물질의 광학적 성질은 빛과 같은 전자기파를 또한 대부분의 유리가 투명한 까닭은 유리 내부의 에너지
물질이 흡수, 산란, 굴절, 편광하는 과정에서 결정된다. 그림 띠의 띠 간격이 커서 가시광선의 에너지에 의해 전자가 원
II - 14의 (가)와 같이 우리가 보는 대부분의 금속들은 반짝 자가 띠에서 전도띠로 올라갈 수 없기 때문이다.

(가) 반짝거리는 금속 (나) 금색을 띠는 금속 (다) 투명한 유리

그림 II - 14 에너지띠에 의해서 생기는 고체의 광학적 성질

생각해 보기

1 고체의 물리적 성질은 에너지띠의 구조에 따라 다양한 특성을 보인다. 고체의 물리적 성질을 변
화시킬 수 있는 방법은 무엇일까?

2 대부분의 유리는 가시광선을 잘 투과하여 투명하지만 자외선은 잘 투과되지 않는다. 유리가 자

외선에 대해 불투명한 까닭은 무엇일까?

1. 물질의 구조와 성질 99

금성교과서(물리I).indb 99 2018-08-10 오후 6:09:39

 해결하기 6 반도체는 어떤 특징 때문에
널리 활용될까?
학습 목표 | 종류가 다른 원소를 이용하여 반
도체 소자를 만들 수 있음을 설명할 수 있다.

휴대 전화의 뒷면을 열어 보면 매우 많은 칩이 눈에 띈다. 이

칩들은 모두 반도체 소자이다. 이처럼 반도체는 현대의 전자·
통신 기기에 필수적으로 사용된다.

짝 토의 우리 주변에서 반도체가 많이 사용되는 까닭은 무엇일까?

우리 일상생활에서 사용하는 수많은 전자 기기 속에는 반도체가 들어 있다. 휴대

전화의 두뇌라고 할 수 있는 모바일 애플리케이션 프로세서(AP; Application
Processor)부터, 메모리 카드, 디스플레이도 모두 반도체로 만들어졌다. 반도
체의 어떤 특성 때문에 반도체는 우리 일상생활에 핵심적으로 사용되는 것일까?

탐구 ➐ 조사 반도체의 역할 문제 해결력

목표 여러 전자 기기에 사용되는 반도체의 역할을 조사하여 정리할 수 있다.

다음 전자 기기 속에 모두 반도체가 들어 있다.

컴퓨터 액정 모니터 디지털카메라 자동차

MP3 교통 카드 내비게이션

1. 각 전자 기기에서 반도체가 어디에 들어 있는지 조사해 보자.

2. 각 전자 기기에서 반도체가 어떤 역할을 하는지 조사해 보자.

100 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 100 2018-08-10 오후 6:09:44

 (가) n형 반도체 (나) p형 반도체
그림 II - 15 n형 반도체와 p형 반도체

순수한 반도체는 전기 전도도가 절연체와 부도체의 중간값으로 전류가 쉽게 흐

를 수 없다. 하지만 반도체에 첨가하는 불순물을 조절하면 전기 전도도를 크게
변화시킬 수 있다. 이렇게 불순물을 첨가하는 것을 도핑이라고 한다.
그림 II - 15의 (가)를 보면 원자가 전자의 수가 4개인 규소(Si)는 주변의 규소
(Si)와 4개의 전자를 공유하고 있다. 여기에 원자가 전자의 수가 5개인 비소(As)
를 소량 첨가하면, 공유 결합을 이루면서 과잉 전자가 생기게 된다. 이러한 과잉
전자를 갖는 반도체를 n형 반도체라고 한다.
반면에 그림 II - 15의 (나)와 같이 원자가 전자의 수가 3개인 붕소(B)를 첨가하
면, 규소(Si)와 붕소(B)가 결합하는 과정에서 전자가 하나 부족한 자리가 생기는
데 이것을 양공이라 하고, 양공은 반도체 내에서 마치 양의 전하를 띤 입자처럼
행동한다. 양공을 갖는 반도체를 p형 반도체라고 한다.
이와 같이 순수한 반도체에 불순물을 도핑하게 되면, 여분의 전자나 양공이 반
도체 내부에서 쉽게 움직일 수 있으므로 전기 전도도가 증가한다. 반도체는 도핑
하는 불순물의 양이나 종류에 따라 다양한 특성을 갖는 전기 소자를 만들 수 있
어서 우리 생활의 전자 기기에 널리 이용된다.

1 반도체가 발전되어 온 역사에 대해 조사해 보자.

확인하기
핵심 역량 평가하기
전자 기기 속의 반도체가 널리 사용
1. 이
 해 순수한 반도체에 불순물을 첨가하면 전기 전도도는 어떻게 되는가?
되는 까닭을 설명할 수 있다.
2. 적용
 저마늄(Ge)은 규소(Si)와 같이 원자가 전자가 4 개인 원소이다. 저마늄(Ge)을 이용
하여 p형 반도체 또는 n형 반도체를 만들 때, 어떤 원소를 도핑할까?

1. 물질의 구조와 성질 101

금성교과서(물리I).indb 101 2018-08-10 오후 6:09:45

 해결하기 7 반도체를 어떻게 활용할 수
있을까?
학습 목표 | 탐구 활동을 통해 다이오드의 특
성을 알고, 다이오드의 기능을 말할 수 있다.

휴대 전화 충전기에는 정격 입력과 정격 출력이 기록되어 있다. 정격

입력은 AC(Alternating Current; 교류)가 적혀 있지만, 정격 출력은
DC(Direct Current; 직류)가 적혀 있다. 휴대 전화 충전기가 외부에서
집으로 들어오는 교류를 휴대 전화를 충전할 수 있는 직류로 바꿔 준다. 정격 입력: AC(교류)
정격 출력: DC(직류)
짝 토의 충전기는 교류를 직류로 어떻게 바꿀 수 있을까?

n형 반도체와 p형 반도체를 접합한 것이 다이오드(diode)이다. 다이오드는 어

떤 특성이 있는지 알아보자.

탐구 ➑ 실험 다이오드의 특성 탐구 능력

목표 다이오드의 특성을 설명할 수 있다. 발광 다이오드는 한쪽 다리가 길

고, 다른 쪽 다리가 짧다. 다리가 긴
쪽이 (+)극, 짧은 쪽이 (-)극이다.
준비물 발광 다이오드, 건전지 또는 직류 전원 장치, 집게 달린 전선, 저항, 전류계,
함수 발생기

과정

가. 직류 전원을 사용하는 과정
발광 다이오드의 긴 다리는 건전지나 직류 전원 장치의 (+)극에 짧은 다
리는 건전지의 (-)극에 연결하고, 다이오드를 관찰해 보자.
전류계를 이용하여 전압에 따른 전류의 세기를 측정해 보자.
발광 다이오드의 (+)와 (-)를 반대로 연결하여 과정 , 를 반복하자.
나. 교류 전원을 사용하는 과정
함수 발생기를 발광 다이오드에 연결하고, 교류의 진동수를
1`Hz로 설정하자.
교류 발생기의 진동수를 10`Hz, 20`Hz, 30`Hz, 60`Hz로
바꾸어 가며 발광 다이오드에서 나오는 빛을 관찰하자.

결과 및 정리
자기 평가
1. 어떤 경우에 발광 다이오드에서 빛이 나오고, 어떤 경우는 나오지 않는가?
1. 실험에 적극적으로 참여하였는가?
2. 교류 전원으로 실험했을 때 다이오드에서 나오는 빛은 어떻게 되는가? 
3. 다이오드의 가장 대표적인 특성이 무엇일지 생각해 보고, 그것을 어떻게 활용할 수 있을지 2. 다이오드의 가장 대표적인 특성을
토의해 보자. 말할 수 있는가?

102 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 102 2018-08-10 오후 6:09:48

 전
류

전압

(가) 순방향 (나) 역방향 (다) 전압에 따른 전류

그림 II - 16 다이오드의 원리

다이오드는 p형 반도체와 n형 반도체가 접합된 구조로 되어 있다. 그림 II - 16의 다이오드의 기호

회로도에서 다이오드는 ( )로 나
(가)와 같이 다이오드의 p형 반도체를 전원의 (+)극에, n형 반도체를 전원의 (-) 타낸다.

극에 연결하면 양공과 전자는 p -n 접합면으로 이동하게 되어 전류가 흐르게 된다.

이때의 전압을 순방향 전압이라고 한다. 그림 (나)와 같이 p형 반도체를 전원의
(-)극에, n형 반도체를 (+)극에 연결하게 되면, 양공과 전자가 p - n 접합면에
서 멀어지게 되어 전류가 흐르지 않게 된다. 이때의 전압을 역방향 전압이라고 한다.
다이오드는 순방향으로 걸어 준 전압에 대해서만 전류가 흐르게 되는데, 그림
II - 17과 같이 다이오드가 연결된 회로에 전압을 시간에 따라 양과 음의 값을 교
대로 입력하면 출력에서는 양의 전압일 때만 전류가 흐르게 된다. 이러한 다이오드
의 기능을 정류 작용이라고 하며, 교류를 직류로 바꾸는 회로에서 많이 활용된다.
다이오드는 정류 작용을 하는 것 이외에도 다양한 기능을 한다. 대표적인 예로
발광 다이오드(LED)는 전류를 흘리면 빛을 방출하고, 광 다이오드(photodiode)
는 빛을 받으면 전기를 만들어내는데, 이를 이용하면 광학적 신호와 전기적 신호
를 서로 전환할 수 있다.
발광 다이오드에서 빛이 나오는 까닭은 순방향의 전압을 걸었을 때, 그림 II - 18
과 같이 전자와 양공이 결합하면서 띠 간격에 해당하는 에너지만큼의 빛을 방출
하기 때문이다. 반도체의 띠 간격에 따라 방출되는 빛의 색이 다르게 되고, 이것 그림 II - 17 다이오드의 정류 작용

을 이용하여 다양한 색의 빛을 만들어낼 수 있다.

그림 II - 18 발광 다이오드의 원리

1. 물질의 구조와 성질 103

금성교과서(물리I).indb 103 2018-08-10 오후 6:09:50

 (가) 자동차 전조등 (나) 실내 조명 (다) LED 신호등
그림 II - 19 발광 다이오드의 이용

발광 다이오드는 백열등, 형광등과 같은 다른 광원들에 비해서 에너지 효율이

훨씬 높고, 수명이 길며, 유독성 물질을 사용하지 않는 장점이 있다. 그래서 최근
에는 그림 II - 19와 같이 컴퓨터 모니터나 텔레비전, 신호등, 자동차 전조등, 실내
조명등이 빠른 속도로 발광 다이오드로 대체되고 있고, 대부분의 국가에서는 백
열등의 생산이 금지되고 있으며, 형광등의 생산도 감축되고 있다.
우리가 매일 보는 교통 신호등은 발광 다이오드로 만들어져 있다. 발광 다이오
드가 발명되기 전에는 백열전구를 이용하여 신호등을 만들었는데 최근에는 발광
다이오드 신호등으로 대부분 교체되었다. 백열전구 신호등과 비교하여 발광 다
이오드 신호등은 에너지와 유지 관리비가 절감되며, 매우 밝은 대낮이나, 흐린 날
및 야간에도 잘 보여 교통사고를 줄여주고 있다.

2 반도체의 다양한 기능에는 어떤 것들이 있는지 조사해 보자.

확인하기
핵심 역량 평가하기
다이오드의 특성과 다양한 기능을
1. 이해 다이오드에서 전류가 흐르게 하려면 p 형 반도체와 n 형 반도체에 전극을 어떻게
설명할 수 있다.
연결해야 하는가?

2. 적용 발광 다이오드에 순방향 전압을 걸었을 때, 전자의 에너지가 어떻게 되는지 설명

하시오.

104 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 104 2018-08-10 오후 6:09:53

 세상을 바꾸는
물리 ‘빛의 혁명’ 청색 발광 다이오드(LED) 과학•기술•사회

발광 다이오드(LED)의 역사는 1907년 영국의 라디오 엔지니어인 라운드(Round, H. J., 1881~1966)가 고체 물질에서
전류의 흐름에 의해 빛이 방출되는 ‘전류 발광’ 현상을 발견하면서 시작되었다. 라운드 이후 여러 화합물 반도체 기반의 결
정 성장 기술이 발달하면서 1960년대 초반에 최초의 적색 LED가 개발되었고 1960년대 말에 녹색 LED가 개발되어 주로
시계, 계기판, 계산기 등에 사용되었다.
높은 에너지 효율과 긴 수명, 친환경 등의 장점이 있는 LED로 백색광을 만들 수 있다면 백열등이나 형광등을 대체할 수
있기 때문에 백색 LED를 만드는 것은 매우 중요한 문제였다. 백색 LED를 만들기 위해 꼭 필요한 것이 바로 청색 LED였다.
청색 LED 연구는 1960년대부터 시작되었다. 청색 빛을 방출할 수 있는 여러 후보 반도체 물질 중에서 질화 갈륨(GaN)
만이 효율적으로 청색 빛을 방출하였다. 하지만 질화 갈륨(GaN) 기반의 화합물 반도체는 고품질의 결정 성장과 p형 도핑이
어려워 대부분의 과학자들이 연구를 중단했다. 그러나 1980년대에 일본의 한 연구 팀에 의해 최초로 p형 전도성을 띠는 질
화 갈륨(GaN) 반도체가 실현되었다. 그리고 일본의 한 화학 회사에서 대량 생산이 가능한 고품질의 p형 질화 갈륨(GaN)
반도체 결정을 얻는 기술이 개발되어 1990년대에 그림 II - 20과 같이 청색 LED가 실용화되었다.
백열등이나 형광등이 LED로 대체되면서 인류가 직면한 에너지와 환경 문제 해결에 큰 역할을 하고 있다.

(가) (나)
그림 II - 20 청색 발광 다이오드(LED)

조사하기
1 청색 LED를 기반으로 백색 LED를 어떻게 만드는지 알아보자.

2 백색 LED가 인류의 에너지와 환경 문제 해결에 어떻게 기여할 수 있는지 조사해 보자.

1. 물질의 구조와 성질 105

금성교과서(물리I).indb 105 2018-08-10 오후 6:09:54

 생각 모으기
1 물질의 구조와 성질 정리하기 개념 확인 | 아하! 그렇구나

개념 확인 다음은 이 단원을 정리한 것이다. 빈칸에 알맞은 말을 써 보자. 84~105쪽

1. 원자 내의 전자는 원자핵으로부터 받는 ① 에 의해 속박되어 있다.

2. 보어의 원자 모형에 따르면, 수소 원자가 가지는 에너지는 ② 되어 있다.

3. 물체에서 방출되는 빛의 파장이 연속으로 분포하는 것을 ③ (이)라 하고, 빛의

파장이 띄엄띄엄 분포하는 것을 ④ (이)라고 한다.

4. 원자 내 전자는 ⑤ 에너지 준위를 가지고 있어 특정한 파장의 빛들만 흡수하

거나 방출할 수 있다.

5. 고체에서 전자의 에너지 준위가 미세하게 연속으로 분포하여 일정한 폭을 가진 에너지

준위를 ⑥ (이)라 하고, 전기 전도성은 ⑦ 의 크기에 따라 달라진다.

6. ⑧ 은/는 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있어 전기가 잘 통하고, ⑨ 은/

는 원자가 띠와 전도띠 사이의 간격이 넓어 전기가 거의 통하지 않는다.

7. 순수한 반도체에 도핑을 하여 여분의 전자를 갖는 반도체를 ⑩ (이)라 하고, 양

공을 갖는 반도체를 ⑪ (이)라 한다.

8. ⑫ 은/는 p형 반도체와 n형 반도체의 접합 구조로 되어 있으며 ⑬

전압을 걸어 줄 때 전류가 잘 흐른다.

아하! 그렇구나 불꽃놀이나 조명등에서 어떻게 다양한 색의 빛이 나올까? 82쪽

생각 펼치기 (82~83쪽)를 다시 읽고 다음 물음에 대해 스스로 답해 보자.

1 네온사인의 유리관에 넣은 기체의 종류에 따라 다른 색의 빛이 방출되는 까

닭은 무엇일까?

2 옥외 광고판이나 텔레비전의 화면을 표시할 때, 빨강, 초록, 파랑 세 종류의

발광 다이오드를 이용하여 여러 색을 표현한다. 이 세 종류의 발광 다이오드
는 어떤 차이가 있을까?

106 Ⅱ. 물질과 전자기장

금성교과서(물리I).indb 106 2018-08-10 오후 6:09:54

 생각 넓히기
1 그래핀 반도체 토의 | 의사소통 능력

우리의 삶을 편하게 만들어 주는 전자 기기들은 대부분 반

도체로 만들어졌다. 그리고 가장 널리 쓰이는 반도체 물질은
바로 규소(Silicon)이다. 최근에는 규소를 기반으로 하는 반
도체 성능의 향상이 거의 한계에 이르렀기 때문에, 더 좋은
성능을 가지는 대체 물질을 찾고 있고, 탄소로 이루어진 그
래핀이 가장 강력한 차세대 반도체 물질로 떠오르고 있다.
탄소는 지구에 4 번째로 흔한 원소이고, 결정 구조에 따라서
다이아몬드가 되기도 하고 연필심 같은 흑연이나 혹은 숯으
로 존재하기도 한다.
‘꿈의 신소재’라고도 불리며 규소를 대체할 차세대 반도체
물질로 주목받는 그래핀은 그림 II - 21처럼 탄소들이 벌집처 그림 II - 21 그래핀 반도체 구조
럼 육각형 격자를 이루고 있는 2차원 평면 구조이다. 각 탄
•그래핀 내의 전자들은 질량이 0인 것처럼 행동하거나, 빛
소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭짓점에 탄
1
소 원자가 있는 모양이다. 그래핀은 원자 1개의 층으로 이루 의 속도의 정도로 빨리 움직인다.
300
어져 있으므로 두께가 약 2\10_!)`m로 매우 얇지만, 다음 •휘거나 구부려도 특성의 변화가 거의 없으므로, 곡면으로
과 같은 놀라운 특징들을 가지고 있다. 만들기 힘든 규소와 달리 휘어지는 반도체 소자를 만드는
•그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 데 유리하다.
•전자의 속도가 규소보다 100배 이상 빠르다. 이러한 여러 가지 우수한 특성 때문에 그래핀은 규소를 대
•전자 이동도가 매우 높다 체할 수 있는 강력한 후보 물질로 활발히 연구되고 있으며
•강철보다 200배 이상의 강도를 가지고 있다. 휘는 디스플레이, 태양 전지, 건전지의 전극 등 다양한 분야
•열전도율이 높은 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 에서 응용할 수 있다.

조사하기

1. 그래핀을 만드는 방법에는 여러 가지가 있다. 2010년 노벨 물리학상을 받

은 안드레 가임(Geim, A., 1958~ 그림 II - 22(좌))과 콘스탄틴 노보셀
로프(Novoselov, K. S., 1974~ 그림 II - 22(우)) 박사가 어떤 방법으로
그래핀을 만들었는지 조사해 보자. 그림 II - 22 안드레 가임(좌)과 콘스탄틴 노보셀로
프(우)

2. 그래핀의 응용 분야는 매우 광범위하므로 ‘꿈의 신소재’라고 불리기도 한다. 그래핀이 응용될 수 있는 분야를 조사해 보자.

3. 그래핀이 상용화되기 위해서는 해결되어야 하는 문제들이 많다. 어떤 문제들이 있는지 조사해 보자.

4. 탄소로 이루어진 탄소 나노 튜브나 탄소 60개가 모여서 만들어진 풀러렌(Fullerene)의 구조를 조사해 보자.

1. 물질의 구조와 성질 107

금성교과서(물리I).indb 107 2018-08-10 오후 6:09:55