01 그림은 가열된 수소 원자에서 전자가 n=2인 궤도로 전이할 때 방출되는 빛의 선스펙트럼을 파장에 따라 나타낸 것이다.

Ⅱ. 물질과 전자기장 / 2. 물질의 구조와 성질

중단원 문제

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 방출된 빛의 파장은 ⓐ가 ⓑ보다 작다. ㄴ. 전자가 전이한 두 에너지 준위의 차이는 ⓐ가 ⓑ보다 작다. ㄷ. 전자가 n=2인 궤도에 머물러 있는 동안에는 빛이 방출되지 않는다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

02 그림 (가)는 보어의 수소 원자 모형에서 n=1인 상태에 있던 전자가 에너지 [eqn: E_{rma]인 빛 a를 흡수하여 n=2인 상태로

전이한 후, 다시 에너지 [eqn: E_{rmb]인 빛 b를 흡수하여 n=3인 상

태로 전이하는 것을 나타낸 것이다. [eqn: E_{rma}>E_{rmb}]이다. 그림 (나)는 n=3인 상태에 있던 전자가 에너지 [eqn: E_{rmc}]인 빛 c를 방출하며 n=1인 상태로 전이하는 것을 나타낸 것이다.

(가)                     (나)

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)에서 빛의 파장은 a가 b보다 크다. ㄴ. (나)에서 c는 가시광선 영역의 빛이다. ㄷ. [eqn: E_{rma}+E_{rmb}=E_{rmc}]이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

03 그림은 보어의 수소 원자 모형에서 양자수 n에 따른 에너지 [eqn: E_n]을 나타낸 것이고, n=2인 상태에 있던 전자가 빛 a를 흡수하여 n=4인 상태로 전이한 후, 다시 빛 b를 방출하여 n=3인 상태로 전이하는 과정을 나타낸 것이다.

a와 b의 진동수를 각각 [eqn: f_{rma}], [eqn: f_{rmb}]라고 할 때, [eqn: f_{rma}:f_{rmb}]는?

① [eqn: E _{4} :E _{3}]                 ② [eqn: E _{4} :E _{2}]

③ [eqn: E _{3} :E _{2}]                 ④ [eqn: (E _{4} +E _{2} ):(E _{4} +E _{3} )]

⑤ [eqn: (E _{4} -E _{2} ):(E _{4} -E _{3} )]

02 그림은 고체의 에너지띠 구조를, 표는 실리콘과 다이아몬드의 띠틈과 전기적 성질을 나타낸 것이다.

	띠틈(eV)	전기적 성질
실리콘	1.14	반도체
다이아몬드	(가)	부도체

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 원자가띠에 있는 전자들의 에너지는 모두 같다. ㄴ. (가)는 1.14eV보다 크다. ㄷ. 실리콘의 원자가띠에 있던 전자가 0.57eV의 에너지 를 흡수하면 띠틈으로 이동할 수 있다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

05 그림은 태양 전지에서 원자가띠에 있던 전자가 전도띠로 이동하여 전자와 양공의 쌍이 생성되는 원리를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 태양 전지는 도체의 에너지띠 구조를 가지고 있다. ㄴ. 양공은 전도띠에 생성된다. ㄷ. 띠 간격(띠틈)보다 작은 에너지를 가진 빛은 원자가 띠의 전자를 전도띠로 전이시키지 못한다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

06 그림은 어떤 물질의 에너지띠를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. (가)는 전자가 채워진 에너지띠 중 에너지가 가장 높다. ㄴ. 허용된 띠는 하나의 에너지 준위로 이루어져 있다. ㄷ. 띠틈이 작을수록 물질의 전기 전도성이 좋다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

07 그림과 같이 전압이 같은 두 전원 장치에 저항 R와 p-n 접합 다이오드를 연결하여 회로를 구성하였다. X와 Y는 p형 반도체와 n형 반도체를 순서 없이 나타낸 것이다. 스위치 S를 a에 연결할 때에만 점 Q에 전류가 흐른다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. X는 p형 반도체이다. ㄴ. S를 a에 연결했을 때, p형 반도체에 있는 양공이 접 합면 쪽으로 이동한다. ㄷ. 점 P에 흐르는 전류의 세기는 S를 a에 연결했을 때 가 S를 b에 연결했을 때보다 크다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

08 그림과 같이 p-n 접합 다이오드, 직류 전원, 교류 전원, 스위치, 저항을 이용하여 회로를 구성하였다. 스위치를 a에 연결할 때 다이오드 내에서 전자의 이동 방향은Y → X이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. X는 양공이 많아지도록 도핑된 반도체이다. ㄴ. 스위치를 a에 연결할 때, p형 반도체의 양공은 접합 면에서 멀어진다. ㄷ. 스위치를 b에 연결할 때, 저항에 흐르는 전류의 세기 는 일정하다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

09 그림은 불순물을 첨가한 반도체 X, Y, Z를 접합하여 만든 트랜지스터에 전원 [eqn: V _{1}], [eqn: V _{2}]를 연결했을 때, 저항에는 전류가 흐르지 않고 있는 것을 나타낸 것이다. [eqn: V _{1}]은 전압을 변화시킬 수 있다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것

은?

	<보 기>
ㄱ. X와 Y는 같은 종류의 불순물 반도체이다. ㄴ. [eqn: V _{1}]의 전압을 증가시키면 저항에 전류가 흐를 수 있다. ㄷ. 트랜지스터는 약한 전기 신호를 강한 신호로 바꾸는 증폭 작용을 한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

10 그림은 태양 전지와 발광 다이오드(LED)를 연결한 회로를 나타낸 것이다. 태양 전지에 빛을 비추었을 때 LED에서 빛이 방출된다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 저항에 흐르는 전류의 방향은 a → 저항 → b이다. ㄴ. LED의 A는 n형 반도체이다. ㄷ. 태양 전지는 전기 에너지를 빛에너지로 전환한다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

11 그림은 반도체 A, B를 접합해 만든 발광 다이오드(LED)와 연결된 코일 위에서 막대자석이 있는 것을 나타낸 것이다. 막대자석이 ⓐ 또는 ⓑ로 움직일 때, 한 경우에서만 LED에서 빛이 나온다.

이에 대한 옳은 설명만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. n형 반도체에서 전하 운반자는 전자이다. ㄴ. 막대자석이 ⓐ로 움직일 때, p형 반도체의 양공은 p-n 접합면에서 멀어진다. ㄷ. 막대자석이 ⓑ로 움직일 때, LED에서 빛이 나온다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄷ

④ ㄴ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

12 그림은 윗면이 N극인 자석 위에 온도가 T인 물체 A가 떠있는 마이스너 효과를 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, A의 온도는 T로 일정하다.)

	<보 기>
ㄱ. A의 전기 저항은 0이다. ㄴ. T는 A의 임계 온도보다 높다. ㄷ. A를 윗면이 S극인 오른쪽 자석 위에 놓으면 마이너 스 효과는 나타나지 않는다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄴ, ㄷ

정답과 해설

01 ⑤   02 ③   03 ⑤   04 ②   05 ②   06 ③

07 ⑤   08 ①   09 ④   10 ②   11 ⑤   12 ①

01

ㄱ. 원자 내에서 방출되는 빛의 스펙트럼선 사이의 간격이 좁아질수록 파장이 짧은 빛이 방출된다. 따라서 빛의 파장은 ⓐ가 ⓑ보다크다. □ 보기 ㄱ은 틀린 진술

ㄴ. 파장과 에너지는 반비례 관계이므로 에너지 준위의 차이는 ⓐ<ⓑ이다. □ 보기 ㄴ은 옳은 진술

ㄷ. 원자 내부에서 빛의 방출 또는 흡수는 전자가 에너지 준위 사이를 전이할 때 일어난다. 따라서 전자가 한 궤도

에 머물러 있는동안에는 빛이 방출되지 않는다.

□ 보기 ㄷ은 옳은 진술

02

ㄷ. 원자 내부에서 방출 또는 흡수되는 빛의 에너지는 전자가 전이하는 두 에너지 준위 준위의 차이에 해당한다. 따라서 n=1 → n=2의 에너지 준위 차이는 Ea이고, n=2 → n=3의 에너지 준위 차이는 Eb이므로 n=1 → n=3의 에너

지 준위 차이는 Ea+Eb이다. 전자가 전이할 때 흡수하거나 방출한 빛의 에너지는 동일하므로 Ea+Eb=Ec이다.

ㄱ. 전자가 흡수한 빛의 에너지가 Ea>Eb라고 문제에 제시되어 있다. 빛의 파장은 빛 에너지와 반비례

오답 체크

하므로 파장은 a가 b보다 작다.

ㄴ. (나)에서 방출되는 빛 c는 전자가 최종 전이한 상태가 n=1이므로 라이먼 계열이다.

03

전자가 두 에너지 준위를 전이할 때 흡수, 방출되는 빛의 에너지는 에너지 준위 차이이다. 이때 광자 1개의 에너지 [eqn: E=hf]이다. 따라서 [eqn: f _{rm a it} = {E _{4} -E _{2}} over {h}],[eqn: f _{rm b it} = {E _{4} -E _{3}} over {h}]이므로

[eqn: f _{rm a it} :f _{rm b it} =(E _{4} -E _{2} ):(E _{4} -E _{3} )]이다.

04

ㄴ. 다이아몬드는 부도체이므로 반도체인 실리콘의 띠틈보

다 크다. 따라서 (가)는 1.14eV보다 크다.

ㄱ. 고체의 에너지띠는 수없이 많은 에너지 준위들이 미세한 차이로 갈라진 것이므로 전자들의 에너지 준위는 모두 다르다. 원자가띠를 확대해서 보면 여러 개의 선들로 이루어져 있다.

오답 체크

ㄷ. 띠틈은 고체의 원자가띠와 전도띠 사이의 영역이며 띠틈에는 전자가 머무를 수 없다.

05

ㄷ. 원자가띠에 있는 전자를 전도띠로 전이시키기 위해

서는 최소한 띠틈에 해당하는 에너지를 갖는 빛이 필요

하다.

ㄱ. 태양 전지는 포토 다이오드의 일종으로 반도체의 에너지띠 구조를 가진다.

오답 체크

ㄴ. 원자가띠에 있던 전자가 전도띠로 전이하고 나면 전자가 떠난 자리에 양공이 생성된다.

06

ㄱ. (가)는 전도띠 바로 아래에 위치하는 허용된 띠로 원자가띠이다. 원자가띠는 전자가 채워진 에너지띠 중에서 에너지가 가장 높은 띠이다.

ㄷ. 띠틈이 작을수록 원자가띠의 전자가 전도띠로 작은 에너지만 흡수해도 전이할 수 있으므로 전기 전도성이 좋아진다.

ㄴ. 고체의 에너지띠는 고체를 구성하는 수없이 많은 원자들의 에너지 준위들이 파울리의 배타 원리를 만족하면서 서로 겹치지 않도록 미세한 차이로 갈라지

오답 체크

므로 모두 다른 에너지로 이루어져 있다.

07

ㄱ. 스위치 S를 a에 연결할 때에만 Q에 전류가 흐른다는 것은 S를 a에 연결할 때 다이오드에 순방향 전압이 걸린

다는 것이다. 따라서 X가 전지의 (+)단자에 연결될 때 순방향이므로 X는 p형 반도체이다.

ㄴ. S를 a에 연결할 때 다이오드에 순방향 전압이 걸리

므로 p형 반도체에 있는 양공은 접합면 쪽으로 이동한다.

ㄷ. 점 P에 흐르는 전류는 회로에 흐르는 전체 전류이므로 저항 R와 다이오드에 모두 전류가 흐를 때 점 P에 흐르는 전류는 커진다. 저항에 흐르는 전류는 전압의 방향과 상관

이 없다. 따라서 다이오드에 순방향 전압이 걸리는 경우 저항, 다이오드 모두 전류가 흐르게 되므로 S를 a에 연결

했을 때 점 P에 큰 전류가 흐른다.

08

ㄱ. 스위치를 a에 연결할 때 다이오드 내에서 전자가 접합면을 지나 Y → X로 이동하므로 다이오드에는 순방향 전압이 걸려 있다. 따라서 X는 전지의 (+)극에 연결되어 있으므로 양공이 많아지도록 도핑된 p형 반도

체이다.

ㄴ. 스위치를 a에 연결할 때 다이오드에 순방향 전압이 걸리므로 p형 반도체의 양공은 접합면 쪽으로 이동한다.

오답 체크

ㄷ. 스위치를 b에 연결하면 회로에 교류 전압이 걸린다. 교류 전압은 방향이 계속 바뀌는 전압이므로 다이오드에 순방향 전압이 걸릴 때에만 회로에 전류가 흐르고 역방향 전압이 걸릴 때에는 회로에 전류가 흐르지 못한다. 따라서 스위치를 b에 연결하면 저항에 흐르는 전류의 세기는 일정하지 않다.

09

ㄴ. [eqn: V _{1}]의 전압을 높이면 p형 반도체인 X의 양공이 Y를 지나 Z로 확산되어 p형 반도체인 Z에 많은 수의 양공이 생기게 된다. Z는 전원 [eqn: V _{2}]의 (-)단자에 연결되어 있어 [eqn: V _{2}]의 (-)단자에서 공급되는 전자가 Z쪽에 있는 양공과 결합하게 되므로 저항에 전자의 이동 방향과 반대 방향

으로 전류가 흐르게 된다.

ㄷ. [eqn: V _{1}]의 미세한 전압 변화(약한 신호)에 따라 저항에 흐르는 전류에 커다란 변화(강한 신호)가 나타나게 되므로 증폭 작용을 한다.

ㄱ. X는 트랜지스터의 이미터(E)로 전원 [eqn: V _{1}]의 (+)단자에 연결되어 있으므로 p형 반도체이다. 트랜지스터의 이미터인 X가 p형 반도체이므로, 베이스(B)인 Y는 n형 반도체이고, 컬렉터(C)인 Z는 p형 반도체이다. 따라서 X와 Y는 다른 종류의 불순물 반도체이다.

오답 체크

10

ㄴ. LED와 태양 전지를 연결하여 발광되려면 같은 극끼리 연결되어야 한다. 즉, LED의 A는 n형 반도체이다.

다이오드에 순방향 전압이 걸리려면 n형 반도체가 전지의 (-)극에 연결되어야 하는데 태양 전지의 n형 반도체가 바로 전지의 (-)극에 해당하기 때문이다.

ㄱ. 태양 전지에 빛을 비추면 태양 전지를 구성하는 n형 반도체는 (-)극, p형 반도체는 (+)극인 전지가 된다. 따라서 저항에 흐르는 전류의 방향은 b → 저항 → a이다.

오답 체크

ㄷ. 태양 전지에 빛을 비추게 되면 회로에 전류를 공급하게 되므로 빛에너지를 전기 에너지로 전환시킨다.

11

ㄱ. n형 반도체는 전자가 많아지도록 도핑되므로 전류가 흐를 때 이동하는 전하 운반자는 전자이다.

ㄴ. 막대자석이 코일에서 멀어지는 방향인 ⓐ로 움직이면 코일의 윗면에서 자석의 S극이 멀어지므로 렌츠 법칙에 의해 코일의 윗면이 N극이 되도록 코일에 유도 전류가 흐르게 된다. 따라서 코일은 위쪽이 (+)전극, 아래쪽이 (-)전극이 되어 LED에는 역방향 전압이 걸리게 되므로 p형 반도체의 양공은 p-n 접합면에서 멀어진다.

ㄷ. 막대자석이 코일로 접근하는 방향인 ⓑ로 움직이면 코일의 윗면에서 자석의 S극이 다가오므로 렌츠 법칙에 의해 코일의 윗면이 S극이 되도록 코일에 유도 전류가 흐르게 된다. 따라서 코일은 위쪽이 (-)전극, 아래쪽이 (+)전극이 되어 LED에는 순방향 전압이 걸리게 되므로 LED는 켜지게 된다.

12

마이스너 효과: 임계 온도 이하에서 초전도체 내부의 자기장이 완전히 없어지는 현상으로 초전도체가 주변의 자기장을 완전히 밀어내는 성질을 가지고 있기 때문인데, 이 때문에 자석은 초전도체 위에 떠 있게 된다.

ㄱ. A는 마이스너 효과가 나타나므로 초전도체이다. 따라서 전기 저항이 0이다.

ㄴ. 초전도 현상은 임계 온도보다 낮은 온도에서 나타나므로 온도 T는 임계 온도보다 낮다.

오답 체크

ㄷ. 초전도 현상인 마이스너 효과는 반자성으로 자석의 극과 상관없이 나타나게 되므로 A를 윗면이 S극인 오른쪽 자석 위에 놓아도 마이스너 효과는 나타난다.