더 낮은 에너지 상태가 안정하기 때문에, 원자가 분자를 이룬다고 한다.
그래서 물질은 원자가 아니라 분자를 단위로 하여 모인 것이라고 한다.
왜? 더 낮은 에너지 상태로 가야만 안정한 것일까?
물체가 더 작은 위치에너지를 갖는 바닥으로 떨어지는 것과 같은 이유일까?
안정된 상태라는 것은 더 낮은 에너지 상태라는 것과 동일한 의미인가?
여러분의 의견은 어떤가요?
시스템이 0~9의 10가지 에너지를 가질 수 있을 때, 입자 6개가 분포하는 확률
<참고: http://ummalqura-phy.com/HYPER1/disbol.html >
고전적인 여러 입자들이 여러 에너지 상태에 있을 때, 어느 에너지 상태에 얼마나 분포하는 지를 볼츠만 통계로 계산할 수 있다. 위의 그림은 입자가 6개가 가질 수 있는 에너지 상태가 10개인 경우의 입자분포를 나타낸 것이다. 더 낮은 에너지 상태에 있을 확률이 지수적으로 증가한다. 또한 입자의 개수가 많을 수록 지수함수적인 특성은 더 가파르게 된다. 거시세계에서 물질 안에 있는 분자의 개수는 대략 1023개 정도(~아보가드로의 수)인데 이 정도 숫자는, 지구 상에 있는 모든 모래알의 개수 혹은 우주 전체에 있는 별들의 개수와 비슷하다. 이 정도로 개수가 많은 경우에는, 대부분의 분자들은 가장 낮은 에너지 상태(바닥상태)에 있게 된다. 에너지에 따른 볼츠만 통계의 성향 때문에, 거시적인 관찰을 하는 우리 입장에서는 시스템이 에너지가 낮은 상태로 가려는 것처럼 느끼게 되는 것이다. 또한 바닥상태(ground state)가 유지되므로 안정되게 보인다.
미시적으로 볼 때, 모든 입자들이 바닥상태에 있는 것은 아니다. 바닥상태보다 높은 에너지 상태에도 입자들이 있지만, 그런 미시적 입자들은 상대적으로 너무나 적은 수이기 때문에 우리의 감각기관 혹은 거시적인 관찰기구로 확인하기 어려울 뿐이다. 이렇게 자연현상이 더 낮은 에너지 상태로 가려는 것은, 뉴턴의 역학체계에서 나오는 자연원리가 아니라 많은 수의 입자들이 모인 계의 특성이다.
그림에 나타난 볼츠만 통계의 지수적인 형태를 보면, 절대온도가 관여하고 있다. 절대온도의 값이 클수록 지수함수의 변화는 둔해진다. 즉, 온도가 높은 계의 경우에는 바닥상태보다 높은 에너지 상태에 있는 입자들도 거시적으로 관찰할 수 있을 만큼 많아진다는 것이다. 반대로, 계의 온도가 낮을수록 훨씬 많은 입자들이 바닥상태에 있으려고 하며 이것은 입자의 개별 속성이 아니라 입자들로 구성된 계의 속성이다.
역학에서 한 입자가 에너지가 더 낮은 곳으로 이동하는 것은, 물론 전체 에너지가 보존되기 때문에 위치 에너지가 감소하는 방향으로 움직인다는 뜻이다. 이것은 역학체계에서 힘과 위치 에너지의 관계 때문에 발생하는 것이며, 입자의 개수가 하나인 경우에도 적용되므로 통계역학과는 관련이 없다. 위치 에너지를 정의할 수 있는 보존력의 경우에, 힘을 위치에너지가 감소하는 방향으로 정의(F = –∇E)했기 때문이다.
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