바닥상태 (ground state)

계의 양자역학적 미시 상태에서 에너지가 최소인 상태를 말하며, 들뜬상태(excited state)와 대응하는 개념으로, 표준상태(normal state) 또는 기저상태(基底狀態)라고도 한다.
고전물리학에서 물리계의 에너지는 연속적인 값을 취한다고 여긴다. 즉 최소의 에너지 상태는 정지 상태(靜止狀態)이고 이때 모든 운동은 정지되어 있을 것이라 생각하였지만. 양자역학에 따르면 계의 에너지는 연속적인 값이 아닌, 이산적(離散的)이며 이때 이산적으로 분포한 에너지 상태를 정상상태라고 한다. 최소의 에너지 계를 지니는 정상상태 역시 완전히 정지된 상태가 아니지만 그 계의 가장 안정적인 상태이며 이를 바닥상태라 한다.
고전역학적으로 포텐셜이 유한(有限) 깊이일 때가 아니면 바닥상태는 존재하지 않는다. 예를 들면 수소원자의 경우 양성자 주위에 원궤도를 그리면서 공전(公轉)하는 전자의 위치에너지는 궤도 반지름이 0에 가까우면 -∞가 되고 전자의 전에너지도 -∞가 된다. 즉, 바닥상태는 존재하지 않는다. 그리고 공전하는 전자는 고전전자기학에 의하면 전자기복사를 하여 에너지를 계속 잃게 되므로 수소원자는 바로(10-11초 정도) 없어지게 된다. 양자역학에서는 전자가 운동하는 영역이 축소되면(어떤 종류의) 불확정성 원리에 의해 운동에너지가 급격히 증가하므로 원자가 어떤 정해진 크기일 때 전에너지가 최저가 된다. 수소원자는 이 상태에서 이미 전자기 복사를 하지 않고 안정적으로 존재하는데 이 상태를 바닥상태라 한다. 많은(N개) 전자와 (임의의 개수의) 원자핵으로 이루어지는 계에서는 전자가 페르미 입자로 파울리의 배타원리에 따를 때에 바닥상태가 존재하고, 그 에너지는 일반적으로 -(상수)×N보다 큰 것이 증명된다.
전에너지, 기저상태, 표준상태, 양자역학

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