준안정
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
준안정은 통계물리학, 열역학, 양자역학, 화학 등 다양한 분야에서 사용되는 용어로, 에너지가 높은 상태이지만, 쉽게 다른 상태로 변화하지 않고 비교적 오랫동안 유지되는 상태를 의미한다. 물질의 상태, 응집 물질, 고분자, 원자, 분자, 화학 반응, 전자 회로, 뇌, 철학 등 다양한 시스템에서 준안정 상태가 나타난다. 이러한 상태는 시스템의 특성과 안정성을 이해하는 데 중요한 역할을 한다.
더 읽어볼만한 페이지
- 동역학계 - 가상일
가상일은 역학계에서 외력이 가상 변위에 대해 하는 일의 합으로, 정역학에서는 계의 정적 평형 조건으로 활용되며, 달랑베르 원리를 통해 동역학에도 적용되어 구조 해석 및 계산에 널리 쓰이는 물리량이다. - 동역학계 - 위상 공간 (물리학)
위상 공간은 역학계의 모든 가능한 상태를 모아 시스템의 상태 변수를 좌표로 나타낸 공간으로, 시간의 흐름에 따라 궤적을 그리며 시스템의 동역학적 거동을 분석하는 데 사용된다. - 화학적 성질 - 에너지 준위
에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다. - 화학적 성질 - 양쪽성
양쪽성은 산과 염기 모두로 작용할 수 있는 성질을 나타내며, 브뢴스테드-로우리 이론에 따라 양성자를 주고받을 수 있는 물, 아미노산 등이 대표적이며, 용액의 pH에 따라 산 또는 염기로 작용하는 산화아연 등도 존재한다.
| 준안정 |
|---|
2. 통계물리학 및 열역학
비평형 열역학은 분자들이 불안정한 상태를 거쳐가는 통계적 앙상블의 역학을 연구하는 물리학 분야이다. 최저 에너지 상태는 아니지만 열역학적 함정에 "갇혀" 있는 상태는 운동 안정성 또는 운동 지속성을 가진다고 설명할 수 있다. 이러한 현상은 관련된 원자들의 특정 운동이나 반응 속도 때문에 발생하며, 더 낮은 에너지 상태가 존재함에도 불구하고 갇히는 결과를 초래한다.[1]
2. 1. 물질의 상태
준안정 물질 상태(또는 준안정 상태)는 과냉각 액체나 과열 액체-기체 혼합물 등 다양한 형태로 나타나는데, 고체 녹음(또는 액체 응고), 액체 끓음(또는 기체 응축) 및 고체 승화에서 나타난다.[1] 극도로 순수한 과냉각수는 0°C 이하에서도 액체 상태를 유지하며, 진동을 주거나 응축 종자를 넣어 결정화 중심이 생길 때까지 액체 상태를 유지한다. 이것은 대기 구름의 물방울에서 흔히 볼 수 있다.[1]준안정 상태는 응집 물질과 결정학에서 흔히 나타난다. 이산화 티타늄의 준안정 다형체인 아나타제는 낮은 표면 에너지 때문에 많은 합성 과정에서 가장 먼저 형성되지만, 항상 준안정 상태이며, 금홍석이 모든 온도와 압력에서 가장 안정적인 상이다.[1] 다이아몬드는 매우 높은 압력에서만 안정적인 상이지만, 표준 온도 및 압력에서는 탄소의 준안정 형태이다. 다이아몬드는 흑연으로 변환될 수 있지만, 활성화 에너지라는 중간 언덕을 극복해야만 가능하다.[2] 마르텐사이트는 대부분의 강철 경도를 제어하는 데 사용되는 준안정 상이다. 석영의 준안정 다형체도 흔히 관찰된다. 고체 붕소의 동소체와 같이 안정적인 상의 샘플을 얻는 것은 어렵다.[2]
DNA, RNA, 단백질과 같은 고분자 구성 요소 간의 결합 또한 준안정 상태이다. 아데노신 삼인산(ATP)은 매우 준안정적인 분자로, 생물학에서 여러 가지 방식으로 사용될 수 있는 "에너지가 가득한" 분자로 통칭된다.[3]
일반적으로 에멀젼/콜로이드 시스템과 유리는 준안정 상태이다. 예를 들어, 실리카 유리의 준안정성은 1098년 정도의 수명으로 특징지어진다.[4] (우주의 수명은 약 1010년 정도로 추정된다).[5]
모래 더미는 가파른 경사나 터널이 존재할 경우 준안정성을 나타낼 수 있는 시스템이다. 모래 알갱이는 마찰 때문에 더미를 형성한다. 전체 큰 모래 더미가 안정점에 도달할 수 있지만, 단일 알갱이를 추가하면 더미의 큰 부분이 무너질 수 있다.
눈사태는 가파른 경사면에 쌓인 눈과 얼음 결정의 큰 더미에서 흔히 발생하는 문제이다. 건조한 조건에서 눈 경사면은 모래 더미와 유사하게 작용한다. 스키어의 존재나 큰 소리, 진동 때문에 전체 산비탈의 눈이 갑자기 미끄러질 수 있다.
2. 2. 응집물질 및 고분자
아나타제는 이산화 티타늄의 준안정 다형체로, 낮은 표면 에너지 때문에 많은 합성 과정에서 가장 먼저 형성되는 상임에도 불구하고 항상 준안정 상태이며, 금홍석이 모든 온도와 압력에서 가장 안정적인 상이다.[1] 다이아몬드는 매우 높은 압력에서만 안정적인 상이지만, 표준 온도 및 압력에서는 탄소의 준안정 형태이다. 이는 흑연으로 변환될 수 있지만 (남은 운동 에너지를 포함하여), 활성화 에너지를 극복한 후에만 가능하다. 마르텐사이트는 대부분의 강철 경도를 제어하는 데 사용되는 준안정 상이다. 석영의 준안정 다형체는 흔히 관찰된다. 고체 붕소의 동소체와 같은 경우, 안정적인 상의 샘플을 얻는 것이 어렵다.[2]DNA, RNA, 단백질과 같은 고분자의 구성 요소 간의 결합 또한 준안정 상태이다. 아데노신 삼인산(ATP)은 매우 준안정적인 분자로, 생물학에서 여러 가지 방식으로 사용될 수 있는 "에너지가 가득한" 분자로 통칭된다.[3]
일반적으로, 에멀젼/콜로이드 시스템과 유리는 준안정 상태이다. 예를 들어, 실리카 유리의 준안정성은 1098년 정도의 수명으로 특징지어진다[4] (우주의 수명은 약 137억 8700만 년으로 추정된다).[5]
3. 양자역학
원자 이하 입자들의 집합적인 시스템은 양자역학에 의해 묘사되며, 여러 구별 가능한 상태를 갖는 것으로 밝혀졌다. 이들 중 하나(또는 작은 축퇴 집합)는 무한정 안정적인데, 이를 바닥 상태 또는 전역 최소라고 부른다.
바닥 상태 외의 다른 모든 상태는 더 높은 에너지를 갖는다.[6] 이 중에서 '''준안정''' 상태는 가장 짧은 수명의 상태보다 적어도 102에서 103배 더 오래 지속되는 반감기를 갖는 상태이다.[7]
따라서 준안정 상태는 오래 지속되지만 영원하지 않다. 바닥 상태보다 높은 에너지를 갖는 들뜬 상태는 결국 더 안정적인 상태로 붕괴되어 에너지를 방출한다. 실제로 절대 영도 이상에서는 시스템의 모든 상태가 붕괴될 확률이 0이 아니다. 즉, 자발적으로 다른 상태로 떨어진다(보통 에너지가 더 낮다). 이러한 현상이 발생하는 한 가지 메커니즘은 터널링을 통해서이다.
3. 1. 핵물리학
원자핵(독특한 공간적 질량, 전하, 스핀, 아이소스핀 분포를 가짐)의 일부 에너지 상태는 다른 상태(동위 원소의 핵 이성질핵)보다 훨씬 더 오래 지속된다. 예를 들어 테크네튬-99m이 있다.[8] 탄탈륨-180m 동위 원소는 준안정 들뜬 상태이지만, 반감기가 최소 4.5×1016년으로 계산되어 붕괴하는 것을 관찰한 적이 없으며,[9][10] 이는 현재 우주의 나이보다 3백만 배 이상 길다.3. 2. 원자 및 분자 물리학
일부 원자 에너지 준위는 준안정 상태이다. 리드베리 원자는 준안정 들뜬 원자 상태의 한 예이다. 준안정 들뜬 준위로부터의 전이는 전형적으로 전기 쌍극자 선택 규칙에 의해 금지된 전이이다. 이는 이 준위로부터의 전이가 발생할 가능성이 상대적으로 낮다는 것을 의미한다. 어떤 의미에서 준안정 상태에 놓인 전자는 그곳에 갇히게 된다. 준안정 상태로부터의 전이가 불가능한 것은 아니기 때문에(단지 덜 발생할 뿐) 전자는 결국 전기 사중극자 전이, 또는 종종 비방사성 탈여기(예: 충돌 탈여기)를 통해 덜 에너지가 높은 상태로 붕괴될 것이다.준안정 상태의 이러한 느린 붕괴 특성은 밝은 빛에 노출되어 충전되는 야광 장난감에서 볼 수 있는 일종의 인광인 인광 현상에서 나타난다. 원자 내에서의 자발적인 방출은 10−8초 정도의 전형적인 시간 척도를 갖는 반면, 준안정 상태의 붕괴는 일반적으로 밀리초에서 분 단위까지 걸릴 수 있으며, 따라서 인광 현상에서 방출되는 빛은 보통 약하고 오래 지속된다.
4. 화학
화학 시스템에서 화학 결합의 변화를 포함하는 원자 또는 분자 시스템은 비교적 오랜 기간 동안 지속되는 준안정 상태에 있을 수 있다. 분자 진동과 열 운동은 둥근 언덕의 꼭대기와 에너지적으로 동등한 화학 종을 매우 짧은 수명으로 만든다. 수 초(또는 수 년) 동안 지속되는 준안정 상태는 가능한 가장 낮은 계곡이 아닌 에너지 "계곡"에서 발견된다. 흔한 유형의 준안정성은 이성질현상이다.
주어진 화학 시스템의 안정성 또는 준안정성은 환경, 특히 온도 및 압력에 따라 달라진다. 안정적인 개체와 준안정적인 개체를 생성하는 것의 차이는 중요한 결과를 가져올 수 있다. 예를 들어, 잘못된 결정 다형체를 가지면 제조와 투여 사이의 보관 중에 약물이 실패할 수 있다.[11] 압력, 온도 및/또는 조성에 따라 어떤 상태가 가장 안정적인지를 나타내는 지도는 상 평형 그림으로 알려져 있다. 특정 상태가 가장 안정적이지 않은 영역에서도 준안정 상태일 수 있다.
반응 중간체는 비교적 수명이 짧으며, 준안정 상태보다는 일반적으로 열역학적으로 불안정하다. IUPAC은 이를 준안정 상태가 아닌 "과도기적"이라고 지칭할 것을 권장한다.[12]
준안정성은 질량 분석법[13] 및 분광학[14]의 특정 상황을 지칭하는 데에도 사용된다.
5. 전자 회로
디지털 회로는 입력 변화 후 일정 시간 내에 소수의 안정된 디지털 상태를 가져야 한다. 그러나 플립플롭과 같이 피드백을 사용하는 디지털 회로는 입력이 잘못된 시점에 변경되면 메타 안정 상태에 진입하여 완전히 안정된 디지털 상태로 정착하는 데 무한정의 시간이 걸릴 수 있다.
6. 계산 신경과학
뇌의 준안정성은 인간의 뇌가 패턴을 인식하는 방식을 규명하기 위해 계산 신경과학에서 연구되는 현상이다. 여기서 준안정성이라는 용어는 다소 광범위하게 사용된다. 더 낮은 에너지 상태는 없지만, 뇌에는 잠시 동안 지속되며 일반적인 평형 상태와 다른 반-과도 신호가 존재한다.
7. 철학
길베르 시몽동은 단일 최종 상태로 변환될 수 있는 긴장과 잠재력을 해결하기보다는, '안정성의 평형 상태에서 긴장을 무효화하는 대신 준안정성의 평형 상태에서 긴장을 보존한다'는 준안정성 개념을 사이버네틱스적 항상성 개념에 대한 비판으로 제시했다.[15]
참조
[1]
학술지
Review of the anatase to rutile phase transformation
2011-02-01
[2]
학술지
Thermodynamic stability of boron: the role of defects and zero point motion
https://pure.rug.nl/[...]
2019-07-08
[3]
서적
The Planet Earth
Pergamon Press
1964
[4]
서적
An introduction to nuclear waste immobilisation
Elsevier
2019
[5]
학술지
Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters
[6]
서적
Tales of the Quantum: Understanding Physics' Most Fundamental Theory
https://books.google[...]
Oxford University Press
2017
[7]
학술지
Metastable helium: a new determination of the longest atomic excited-state lifetime
https://pubmed.ncbi.[...]
2009-07-31
[8]
웹사이트
Technetium-99m
http://hyperphysics.[...]
Hyperphysics
[9]
웹사이트
Rarest nucleus reluctant to decay
https://www.sciencen[...]
2016-10-03
[10]
학술지
Search for the decay of nature's rarest isotope 180mTa
[11]
간행물
Process Chemistry in the Pharmaceutical Industry
1999
[12]
학술지
transient (chemical) species
http://goldbook.iupa[...]
2014
[13]
학술지
metastable ion in mass spectrometry
http://goldbook.iupa[...]
[14]
학술지
metastable state in spectrochemistry
http://goldbook.iupa[...]
[15]
학술지
Governing progress: From cybernetic homeostasis to Simondon's politics of metastability
https://journals.sag[...]
2022-03-27
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com