원자오비탈법

요약 파동함수의 조합에 의하여 분자의 문제를 다루는 연구방법으로 원자가 결합법이라고도 한다. 분자 내의 원자가 다른 원자와 상호작용하여 화학결합한 결과 분자를 이룬다는 방식으로 분자의 문제를 연구하는 것이다. 이와 대응되는 연구방법은 분자오비탈법이 있다.

원자가 결합법이라고도 한다. W.하이틀러와 F.런던이 주장한 연구방법으로, 분자의 문제를 원자의 상태로 있을 때로부터 출발하여 그 원자가 다른 원자에 접근했을 때 전자의 상호작용에 의하여 화학결합이 일어나서 분자가 구성된다는 이론이다. 여기에 대응하는 연구방법은 분자가 처음부터 분자의 형태로 존재하고 전자는 그 속에서 많은 원자핵(原子核)의 작용을 받아 운동하며, 분자 속에 반드시 원자가 존재한다는 것을 인정하지 않는데 이것을 분자오비탈법이라고 부른다. 분자의 복잡한 문제를 다루는 방법으로 오늘날에는 분자오비탈법이 훨씬 뛰어난 것으로 알려져 있으나 원자오비탈법도 화학결합의 문제를 취급할 때에는 초심자에게 이해하기가 쉬운 방법이다.

원자오비탈법의 실례로서 수소분자의 결합을 설명하면, 먼저 수소분자는 원자핵 A, B와 전자 1, 2의 4개의 입자로 구성되어 있는데 이론을 진행시키는 최초의 단계로서 2개의 원자가 결합간격(0.74Å)보다 훨씬 떨어져서 존재하는 경우를 생각한다. 그때의 원자는 핵 A와 전자 1이 조합된 것과, 핵 B와 전자 2가 조합된 것으로 한다. 이들 원자가 독립해서 존재할 때의 파동함수를 _A(1)와 _B(2)로 표시하면 이들 원자가 떨어져서 존재하는 계(系)의 파동함수는 양자의 상승적(相乘積) Ψ_a≡_A(1) ·_B(2)로 표시된다. 또, 전자 1과 2를 교환한 계의 파동함수는 Ψ_b≡_A(2) ·_B(1)이 된다. 이와 같은 계로 원자가 서로 접근하여 양쪽의 전자구름이 겹치게 되면 전자 1이 핵 A로부터 B로 옮기는 것도 용이해지고, 전자 1과 2는 질량, 전하, 스핀이 동일하므로 1이나 2를 구별할 수도 없으며 어떤 핵에 속한 것이 1인가 2인가를 결정하는 일도 의미가 없다. 이러한 상태의 파동함수는 양자의 선결합(線結合)을 만들어 ψ＝C₁ψ_a＋C₂ψ_b(C₁, C₂는 양쪽의 상태가 존재하는 비율을 결정하는계수)로 두고 이 ψ를 해(解)로 한다.

이것은 두 가지 상태의 공명(共鳴)으로 나타낸 것이 된다. 수소분자의 파동함수가 일단 정해졌으므로 다음에는 양자화학적(量子化學的) 방법에 의하여 계수 C₁, C₂의 값을 결정하면 이 파동함수에 대응한 에너지를 구할 수 있으며, 그 결과 수소분자의 결합의 본질을 알 수 있다.