[PSAT 기출] 2023 5급 언어논리 가책형 36번 해설 – 광센서 전자 열적 현상 양자 현상

글쓴이 조나탕작성일자 카테고리 5급, 5급 PSAT, 5급 언어논리, 공무원태그 , , , , , , , , ,

개요

다음은 2023년 국가공무원 5급 언어논리영역 가책형 36번 문제 해설이다.

문제

36. 다음 글의 <실험>의 결과를 가장 잘 설명하는 것은?

광센서는 입사한 빛에 의해 전자가 들뜬 상태로 전이하는 현상을 이용한다. 반도체 물질에서 전자가 빛에 의해 에너지를 얻으면 이동이 비교적 자유로운 상태인 ‘들뜬 상태’가 된다. 그러므로 들뜬 상태의 전자가 얼마나 많은지를 측정하여 빛의 세기를 잴 수 있다. 그런데 빛이 들어오지 않을 때도 전자가 들뜬 상태로 전이하는 경우가 있다. 이러한 전자는 빛에 의해 들뜬 상태가 된 전자와 섞이기 때문에 광센서로 빛의 세기를 정확하게 측정하지 못하게 한다. 이렇게 측정하려는 대상을 교란하는 요인을 ‘잡음’이라 한다.

빛이 들어오지 않을 때 광센서에서 전자가 들뜬 상태로 전이하는 이유는 크게 두 가지이다. 하나는 열적 현상으로, 광센서 내부의 원자 진동에 의해 원자에 속박된 전자 일부가 큰 에너지를 얻어 들뜬 상태로 전이하는 것이다. 이런 방식으로 들뜬 상태로 전이하는 전자의 수는 원자의 진동이 없는 절대 0도, 즉 －273°C에서는 0이었다가 광센서의 절대 온도에 정비례하여 증가한다. 다른 하나는 양자 현상이다. 불확정성 원리에 의하면 광센서 내부의 전자 중 일부는 확률적으로 매우 큰 에너지를 가지게 되어 들뜬 상태로 전이한다. 이러한 현상의 발생 정도는 광센서의 종류에 따라 달라질 뿐, 광센서의 온도에 관계없이 일정하다.

열적 현상에 의한 잡음을 ‘열적 잡음’, 양자 현상에 의한 잡음을 ‘양자 잡음’이라 하며, 두 잡음의 합을 광센서의 전체 잡음이라고 한다. 광센서의 구조와 이를 구성하는 물질에 따라 열적 잡음의 크기와 양자 잡음의 크기는 달라진다.

광센서의 열적 잡음과 양자 잡음의 상대적인 크기를 구하기 위해 다음 실험을 수행하였다.

<실 험>

실온에서 구조와 구성 물질이 다른 광센서 A와 B의 전체 잡음을 측정하고, 광센서의 온도를 높인 후 다시 두 광센서의 전체 잡음의 크기를 측정하였다. 실험 결과, 실온에서는 A와 B의 전체 잡음의 크기가 같았으나, 고온에서는 A의 전체 잡음의 크기가 B의 전체 잡음의 크기보다 컸다.

① 온도 증가분에 대한 열적 잡음 증가분은 A와 B가 같다.

② 온도 증가분에 대한 양자 잡음 증가분은 B가 A보다 크다.

③ 실온에서 열적 잡음은 A가 B보다 크고, 양자 잡음은 B가 A보다 크다.

④ 실온에서 열적 잡음은 B가 A보다 크고, 양자 잡음은 A가 B보다 크다.

⑤ 실온에서 A와 B는 열적 잡음의 크기가 서로 같고, 양자 잡음의 크기도 서로 같다.

 

출처: 사이버국가고시센터

문제 해설

하나는 열적 현상으로, 광센서 내부의 원자 진동에 의해 원자에 속박된 전자 일부가 큰 에너지를 얻어 들뜬 상태로 전이하는 것이다. 이런 방식으로 들뜬 상태로 전이하는 전자의 수는 원자의 진동이 없는 절대 0도, 즉 －273°C에서는 0이었다가 광센서의 절대 온도에 정비례하여 증가한다. 다른 하나는 양자 현상이다. 불확정성 원리에 의하면 광센서 내부의 전자 중 일부는 확률적으로 매우 큰 에너지를 가지게 되어 들뜬 상태로 전이한다. 이러한 현상의 발생 정도는 광센서의 종류에 따라 달라질 뿐, 광센서의 온도에 관계없이 일정하다.

광센서의 구조와 이를 구성하는 물질에 따라 열적 잡음의 크기와 양자 잡음의 크기는 달라진다.

실온에서 광센서 A와 B의 전체 잡음은 같다고 했으므로 편의상 전체 잡음이 100이라고 가정하자.

실온에서 광센서 A의 전체 잡음 100은 열적 잡음 c와 양자 잡음 d의 합이라고 가정하자. 또한 고온에서 A의 전체 잡음 크기가 B보다 크다고 했으므로 편의상 전체 잡음이 170이라고 가정하자. 양자 현상으로 발생 정도는 온도에 관계없이 일정하다고 했으므로 고온에서 A의 열적 잡음만 70만큼 증가한 것이다.

실온에서 광센서 B의 전체 잡음 100은 열적 잡음 e와 양자 잡음 f의 합이라고 가정하자. 또한 고온에서는 B의 전체 잡음 크기가 A보다 작다고 했으므로 편의상 전체 잡음이 130이라고 가정하자. 양자 현상으로 발생 정도는 온도에 관계없이 일정하다고 했으므로 고온에서 B의 열적 잡음만 30만큼 증가한 것이다.

열적 현상으로 인한 전자의 수는 절대 온도에 정비례하여 증가한다. A의 열적 잡음의 증가분이 B보다 더 크기 때문에 실온에서는 A의 열적 잡음이 B보다 더 크다.

전체 잡음이 동일한 상황에서 실온에서 A의 열적 잡음이 B보다 더 크다면, A의 양자 잡음은 B보다 더 작다. 예를 들어 실온에서 A의 열적 잡음이 70이라면, 양자 잡음은 30이 된다. 반면 B의 열적 잡음이 30이라면, 양자 잡음은 70이 되기 때문이다.

① 온도 증가분에 대한 열적 잡음 증가분은 A와 B가 같다.

온도 증가분에 대한 열적 잡음 증가분은 A가 B보다 크다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

② 온도 증가분에 대한 양자 잡음 증가분은 B가 A보다 크다.

양자 현상으로 발생 정도는 온도에 관계없이 일정하다고 했으므로 양자 잡음 증가분은 A, B 둘 다 0이다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

③ 실온에서 열적 잡음은 A가 B보다 크고, 양자 잡음은 B가 A보다 크다.

보기의 내용은 옳다.

 

④ 실온에서 열적 잡음은 B가 A보다 크고, 양자 잡음은 A가 B보다 크다.

실온에서 열적 잡음은 A가 B보다 크고, 양자 잡음은 B가 A보다 크다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

⑤ 실온에서 A와 B는 열적 잡음의 크기가 서로 같고, 양자 잡음의 크기도 서로 같다.

실온에서 열적 잡음은 A가 B보다 크고, 양자 잡음은 B가 A보다 크다.

따라서 보기의 내용은 옳지 않다.

 

정답은 ③번이다.

2023 5급 PSAT 언어논리

관련 문서

“[PSAT 기출] 2023 5급 언어논리 가책형 36번 해설 – 광센서 전자 열적 현상 양자 현상”의 2개의 생각

  1. 질문 있습니다.
    광 센서의 절대 온도에 정 비례하여 열 적 잡음이 증가한다는 말은 열 적 증가 분은 절대 온도에 정 비례하여 계속 동일 하다라는 뜻 아닌가요?? 실온 에서 전체 잡음이 같았으나 고온에서 두 광 센서의 전체 잡음이 달라진다는 말이 이해가 잘 안되네요.

    온도에 정 비례하여 열 적 잡음이 증가했다면 실온 에서 동일했던 두 광센서의 전체 잡음이 어떤 온도 에서던 전체 잡음도 동일해야 하는 것 아닌가요??

    응답

    1. 전체 잡음에는 열적 잡음 뿐만 아니라 양자 잡음이 포함되어 있습니다. 절대 온도에 따라 전자 수가 증감하는 것은 열적 잡음 뿐입니다.

      좀 더 이해를 돕고자 위에 그림을 추가하였습니다.

      도움이 되셨으면 좋겠습니다.

      응답

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