포지트로늄
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포지트로늄(positronium)은 전자와 그 반입자인 양전자가 결합한 특이한 원자를 구성하는 시스템이다. 두 입자의 궤도와 에너지 준위의 집합이 수소 원자의 그것과 비슷하다. 그러나 더 낮은 질량(리듀스드 질량) 때문에 분광 라인과 관련된 주파수들에 해당하는 수소 라인의 그것들의 절반 보다 작다.
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[편집] 상태들
포지트로늄의 바닥 상태는 수소처럼 두 가지 가능한 배열을 지니며 전자와 양전자의 스핀의 상대적인 배향에 의존한다. 반평행 스핀(S=0,Ms=0)의 싱글릿 상태는 파라포지트로늄(p-Ps)라 알려져 있고 ^1S_0로 표기된다. 평균수명이 125ps이고 붕괴하며 두 감마 양자로 되는데 각각의 에너지는 511KeV이다. 이들 광자의 검출은 붕괴의 마루점의 재구성을 허여하고 양전자 방출 토모그라피에 사용된다. 파라 포지트로늄은 짝수의 광자(2,4,6,...)로 붕괴할 수 있지만 그 확률은 급격하게 감소한다. 4광자로 붕괴에 대한 분지비율은 1.439 X 10-6이다. 평행 스핀(S=1, M_s=-1,0,1)을 지닌 삼중상태는 오소 포지트로늄(o-Ps)라 알려져 있고 3S1이라 표기된다. 진공내에서의 3중 상태는 평균수명이 142.05+- 0.02ns이며 붕괴의 주도모드는 3감마 양자이다. 다른 방식의 붕괴는 무시가능하다. 예를 들어서 5광자 모드는 분지율이 1.0X10^-6이다. 2S상태내의 포지트로늄은 소멸에 반해서 1.1\micro second의 수명을 지녀서 메타 스테이블하다. 만약 포지트로늄이 그러한 여기된 상태로 생성되면 그것은 급하게 그라운드 상태로 떨어지며 그 상태에서 소멸이 더 빨리 발생한다. 이들 수명의 측정은 포지트로늄 에너지 준위와 더불어 양자 전동력의 정밀 테스트에 사용되어왔다. 소멸은 각각 하나 또는 이상의 감마선을 생성하는 여러 채널을 통해 진행한다. 감마선들은 전체 에너지 1022keV로 생성된다.(소멸입자의 각각은 511keV/c2의 질량을 지닌다.) 가장 가능성이 높은 소멸 채널은 둘 또는 세 광자를 생성하는데 전자와 양전자의 상대적인 스핀 배열에 의존한다. 한 광자 붕괴는 다른 물체(전자들)가 소멸 포지트로늄의 근처에 있을 때만 가능한데 그곳으로 소멸사건에서 에너지의 약간이 이동될 수 있다. 다섯 소멸 감마선까지 실험실 실험에서 관측되었고 양자 전동력학이 고차수라는 예측을 확인하엿다. 뉴트리노-반뉴트리노 쌍으로 소멸은 역시 가능하나 가능성은 무시 가능하다고 예측된다. 이 채널에 대한 O-Ps붕괴의 분지율은 6.2X10 − 18 (전자 뉴트리노-반뉴트리노 쌍)이고 (각각의 비전자 flavor에 대해) 표준 모델에 기초한 예측으로는 9.5X10 − 21이다. 그러나 그것은 상대적으로 높은 자기 모멘트와 같은 질량 또는 비표준 뉴트리노 특성에 의해 얻어질 수 있는데 실험적인 상하는 <1.7X 10 − 6(p-Ps)이며 <2.8 X 10 − 6(o-Ps)
[편집] 에너지 레벨
포지트로늄과 수소간의 유사성은 에너지 준위의 개략적인 어림을 주는 방정식으로 확장한다. 에너지 준위들은 아래 에너지 방전식에 사용된 질량 m*에 대한 다른 값 때문에 둘간에 다르다.
식의 유도를 위해서 수소내의 에너지 준위를 보시오.
qe 는 전자의 전하
h 는 플랑크 상수
ε0는 유전율
m * 는 유효질량이다.
이 경우 리듀스드 질량은
그리하여 포지트로늄에 대해 리듀스드 질량은 전자의 정지질량에서 단지 인자 2만큼 다르다. 이것은 에너지 준위를 수소원자에 대해서와 같은 것의 약 절반으로 되게 한다. 그리하여 결국 포지트로늄의 에너지 준위는 아래 식으로 주어진다.
최저 에너지 레벨의 포지트로늄(n=1)은 -6.8 전자볼트이다. 다음의 에너지 레벨은 -1.7eV이며 음의 부호는 결합 상태를 의미한다.
[편집] 이 포지트로늄 분자
두 포지트로늄 원자로 구성된 분자인 이 포지트로늄 분자의 첫 관측은 2007년 9월 12일 리버사이드 캘리포니아 주립대의 데이비드 캐시디와 앨른 밀스에 의해 발표되었다.
[편집] 예측과 발견
크로아티아 과학자 스트제팬 모호로비치히가 1934년 포지트로늄의 존재를 예측하였다. 그 논문에서 그는 그 입자를 일렉트럼이라 불렀다. 그것은 1951년 독일 에의해 실험적으로 발견되고 포지트로늄이라 알려지게 되었다.
