포지트로늄 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Positronium.svg|섬네일|200px|[[전자]]와 [[양전자]]가 [[질량]] 중심을 중심으로 공전한다.]]

'''포지트로늄'''({{lang|en|positronium}}, 기호 Ps)은 [[전자]]와 그 [[반입자]]인 [[양전자]]가 결합한 [[별난 원자]]다. 궤도와 에너지 준위에 있어서 [[수소]] 원자와 유사하다. 그러나 [[환산 질량]]이 절반이므로, 포지트로늄 분광선의 진동수는 [[수소]] 분광선 주파수의 절반이다.

== 양자역학적 상태 ==
포지트로늄의 [[바닥 상태]]는 [[수소]]처럼 두 가지 가능한 배열을 지니며 [[전자]]와 [[양전자]]의 [[스핀 (물리학)|스핀]]의 상대적인 배향에 의존한다. 이에 따라 두 전자의 [[스핀 (물리학)|스핀]]이 서로 같은 방향을 가리키거나 서로 반대 방향을 가리킬 수 있다. 서로 같은 방향을 가리키는 경우를 '''정규 포지트로늄''' 또는 '''오르토 포지트로늄'''({{lang|en|orthopositronium}}, 기호 ''o''-Ps)이라고 부르고, 서로 반대 방향을 가리키는 경우를 '''비정규 포지트로늄''' 또는 '''파라 포지트로늄'''({{lang|en|parapositronium}}, 기호 ''p''-Ps)이라고 부른다.

비정규 포지트로늄은 반평행 스핀(<math>S=0\mbox{, }M_s=0</math>)의 단일항({{lang|en|singlet}}) 상태이고, <sup>1</sup>S<sub>0</sub>로 표기된다. 평균수명은 125피코초이고 붕괴하여 두 개의 감마 입자가 되는데 각각의 에너지는 511 keV이다.

이들 광자의 검출은 붕괴의 [[마루점]]의 재구성을 허여하고 [[양전자 방출 단층촬영]]에 사용된다. 파라포지트로늄은 짝수개의 광자(2,4,6,...)로 붕괴할 수 있고, 많은 광자로 붕괴될수록 그 붕괴가 발생할 확률은 적어진다. 네 광자로의 붕괴에 대한 분지비율은 1.439×10<sup>-6</sup>이다.

정규 포지트로늄은 평행 스핀(<math>S=1\mbox{, }M_s=-1,0,1</math>)을 지닌 삼중항 상태이고, <sup>3</sup>S<sub>1</sub>으로 표기한다. 진공에서 3중 상태는 평균수명이 142.05±0.02[[나노초|ns]]이며 붕괴의 주도 모드는 세 개의 감마 입자이다. 다른 방식의 붕괴는 무시 가능하다. 예를 들어서 5광자 모드는 분지율이 1.0×10<sup>-6</sup>이다. 2S상태의 포지트로늄은 1.1마이크로초의 수명을 지니므로 준안정하다. 만약 포지트로늄이 그러한 여기된 상태로 생성되면 그것은 급하게 [[바닥 상태]]로 떨어지며 그 상태에서 소멸이 더 빨리 발생한다. 이들 수명의 측정은 포지트로늄 에너지 준위와 더불어 양자 전동력의 정밀 테스트에 사용되어왔다.

소멸은 각각 하나 또는 그 이상의 감마 입자를 생성하는 여러 채널을 통해 진행한다. [[감마선]]들은 전체 에너지 1022 keV로 생성된다(소멸입자의 각각은 511 keV/''c''<sup>2</sup>의 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 전동역학이 고차수라는 예측을 확인하였다. [[뉴트리노]]-[[반뉴트리노]] 쌍으로 소멸하는 것도 가능하나 예측에 의하면 그 확률은 무시 가능하다. 이 채널에 대한 오소포지트로늄 붕괴의 분지율은 6.2×10<sup>-18</sup> (전자 [[중성미자]]-전자 [[반중성미자]] 쌍)이고 (각각의 전자가 아닌 [[맛깔]]에 대해) [[표준 모형]]에 따른 예측으로는 9.5×10<sup>-21</sup>이다. 그러나 이러한 결과는 상대적으로 높은 [[자기 모멘트]]와 같은 질량 또는 아직 알려지지 않는 중성미자의 새로운 특성 따위의 효과에 의하여 생길 수 있다.

== 에너지 준위 ==
포지트로늄과 [[수소]]와의 유사성은 [[에너지 준위]]의 개략적인 어림을 주는 방정식으로 확장한다. [[에너지 준위]]들은 아래 에너지 방전식에 사용된 질량 <math>m^*</math>에 대한 다른 값 때문에 둘은 다르다.

:<math>E_n = -\frac{m^* q_e^4}{8h^2 K_0^2 n^2}</math>

:* <math>q_e</math>: 전자의 전하
:* <math>h</math>: [[플랑크 상수]]
:* <math>\epsilon_0 </math>: 유전율
:* <math>m^* </math>: [[환산 질량]]

이 경우 [[환산 질량]]은
:<math>m^* = \frac{m_e m_p}{m_e+m_p} = \frac{m_e ^2}{2m_e} = \frac{m_e}2 </math>
이므로 포지트로늄의 환산 질량은 전자의 질량의 절반이다. 이에 따라, 포지트로늄의 에너지 준위는 대략 수소 원자 에너지 준위의 절반이고, 다음과 같다.
:<math>E_n = -\frac{m^* q_e^4}{2\cdot8h^2 \epsilon_0^2}\cdot\frac 1{n^2} = \frac{-6.8 \ \mathrm{eV}}{n^2}</math>

포지트로늄의 바닥 상태(<math>n=1</math>)의 에너지 준위는 −6.8 [[전자볼트|eV]]이다. 다음의 에너지 준위는 −1.7 eV이다. (음의 부호는 결합 상태를 의미한다.)
포지트로늄의 전자질량은 양전자질량과 동일하기 때문에, [[초미세구조]]의 에너지 보정이 [[미세구조]]의 에너지 보정과 같다는 특징이 있다. 이 보정하에서, 바닥 상태간의 스핀의 상태의 차이로 인한 에너지 준위의 차이는 이론적으로: <math> {4.82}\times{10^{-4}}\mathrm{eV} </math>이나, 실제로는: <math> {8.41}\times{10^{-4}} \mathrm{eV} </math>가 되는데, 이것은 양자와 양전자가 충돌할 때 정지에너지와 운동에너지가 감마선의 형태로 광자로의 에너지변환이 이루어지기 때문이다.

== 포지트로늄 분자 ==
2007년 9월 12일 리버사이드 캘리포니아 주립대의 데이비드 캐시디와 앨른 밀스가 두 포지트로늄 원자로 구성된 분자 Ps<sub>2</sub>를 발견하였다는 사실을 발표하였다.

== 역사 ==
[[크로아티아]]의 물리학자인 스체판 모호로비치치({{llang|hr|Stjepan Mohorovičić}})가 1934년에 포지트로늄의 존재를 예측하였고,<ref>{{저널 인용
 |last=Mohorovičić |first=S.
 |year=1934
 |journal={{lang|de|Astronomische Nachrichten}}
 |volume=253|pages=93–108
 |doi=10.1002/asna.19342530402
 |title={{lang|de|Möglichkeit neuer Elemente und ihre Bedeutung für die Astrophysik}}
 |issue=4
}}</ref> 이를 "엘렉트룸"({{lang|de|Elektrum}})이라고 불렀다. 1945년에 미국의 아서 루아크({{llang|en|Arthur Edward Ruark}})가 "포지트로늄"이라는 이름을 제안하였다.<ref>{{저널 인용|이름=Arthur E.|성=Ruark|제목={{lang|en|Positronium}}|저널=Physical Review|doi=10.1103/PhysRev.68.278|권=68|호=11|쪽=278–278|연도=1945}}</ref> 1951년에 [[매사추세츠 공과대학교]]의 마르틴 도이치({{llang|de|Martin Deutsch}})가 포지트로늄을 실험적으로 발견하였다.<ref>{{저널 인용|이름=Martin|성=Deutsch|제목={{lang|en|Evidence for the formation of positronium in gases}}|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1951-05-01_82_3/page/n107|저널=Physical Review|권=82|호=3|쪽=455–456|연도=1951|doi=10.1103/PhysRev.82.455}}</ref><ref>{{저널 인용|이름=Martin|성=Deutsch|제목={{lang|en|Three-quantum decay of positronium}}|url=https://archive.org/details/sim_physical-review_1951-08-15_83_4/page/n172|저널=Physical Review|권=83|호=4|쪽=866-867|연도=1951|doi=10.1103/PhysRev.83.866}}</ref>

== 같이 보기 ==
* [[양자 전기역학]]

== 각주 ==
<references />

{{기본입자}}

{{전거 통제}}

[[분류:분자물리학]]
[[분류:양자역학]]
[[분류:고체물리학]]
[[분류:광자학]]
[[분류:별난 원자]]
[[분류:스핀트로닉스]]
[[분류:아원자 입자]]
[[분류:오늄]]
[[분류:양자 전기역학]]