금지선

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1. 개요
2. 천문학 및 원자물리학에서의 금지선
- 2.1. 천체물리학 플라스마에서의 관측
- 2.2. 표기법
3. 핵물리학에서의 금지선
- 3.1. 감마 붕괴
- 3.2. 베타 붕괴
4. 고체 물리학에서의 금지선
참조

1. 개요

금지선은 천문학 및 원자물리학, 핵물리학, 고체 물리학 등 다양한 분야에서 나타나는 현상이다. 천문학 및 원자물리학에서는 극도로 낮은 밀도의 기체나 플라스마에서 관찰되며, 특정 원자나 분자가 준안정 상태에서 금지선 광자를 방출하여 붕괴하는 현상을 말한다. 핵물리학에서는 들뜬 원자핵의 감마 붕괴 속도를 억제하거나, 베타 붕괴에서 특정 각운동량 변화를 수반하는 전이를 금지하는 현상을 의미한다. 고체 물리학에서는 희토류 원소의 금지 전이를 이용하여 고체 레이저 매질을 구성하는 데 활용되기도 한다.

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금지선
개요
정의	가장 직접적인 메커니즘에서 허용되지 않는 양자 전이
설명	전이 쌍극자 모멘트가 0인 전이
발생 조건	다른 메커니즘 (자기 쌍극자 또는 전기 사중극자 방출 등)을 통해 발생 가능
특징	확률이 낮음 수명이 김 (일반적으로 수 밀리초에서 수 초)
예시
천체 물리학	행성상 성운 및 H II 영역에서 발견되는 금지선 밀도가 매우 낮은 가스에서 관찰 가능
실험실	특정 인광 물질 (예: 도핑된 ZnS)
금지선
정의	매우 낮은 밀도의 가스에서 발생하는 스펙트럼 선
특징	일반적인 실험실 조건에서는 관찰하기 어려움 천체 물리학에서 중요
원인	금지된 전이로 인해 발생
관찰 장소	행성상 성운 태양 코로나
활용
플라스마 진단	금지선의 강도를 사용하여 플라스마 밀도 및 온도를 측정

2. 천문학 및 원자물리학에서의 금지선

금지선은 극도로 낮은 밀도의 기체와 플라스마에서 관찰되며, 주로 우주 공간이나 지구의 고층 대기에서 관측된다. 지구의 실험실 진공 상태에서도 원자의 금지선이 방출될 수 있도록 만들 수 있다. 하지만 자연환경 속에서는 밀도가 매우 낮아 원자 간 충돌 가능성이 낮다. 이러한 조건에서 원자나 분자가 준안정 상태로 뜰뜨면, 금지선 광자를 방출하며 붕괴될 가능성이 높다.

고도로 하전된 이온에서 금지 전이로 인해 가시광선, 진공 자외선, 연 X선 및 X선 광자가 방출되는 현상은 전자 빔 이온 트랩과 이온 저장 링과 같은 특정 실험 장치에서 일상적으로 관찰된다. 레이저 분광법 기술을 사용하여 금지 전이는 현재 사용 가능한 최고 정확도를 가진 원자 시계와 양자 시계를 안정화하는 데 사용된다.

T-tauri 별의 스펙트럼에 [O I] 및 [S II] 금지선이 존재한다는 것은 낮은 가스 밀도를 의미한다.

2. 1. 천체물리학 플라스마에서의 관측

금지선은 극도로 낮은 밀도의 기체와 플라스마에서 관찰되며, 우주나 지구의 극심한 고층 대기에서 관찰된다. 우주 환경에서 밀도는 세제곱센티미터당 원자 수가 몇 개에 불과할 수 있으며, 이는 원자 충돌을 어렵게 만든다. 이러한 조건에서 어떤 이유로든 원자나 분자가 준안정 상태로 여기되면 금지선 광자를 방출하여 붕괴될 가능성이 거의 확실하다. 준안정 상태는 상당히 일반적이므로 금지 전이는 우주에서 초저밀도 가스에서 방출되는 광자의 상당 부분을 차지한다.

질소([N II] 654.8 및 658.4 nm), 황([S II] 671.6 및 673.1 nm), 산소([O II] 372.7 nm, 그리고 [O III] 495.9 및 500.7 nm)의 금지선은 천체 물리학 플라스마에서 흔히 관찰된다. 이 선들은 행성상 성운과 H II 영역의 에너지 균형에 중요하다. 금지된 21cm 수소선은 매우 차가운 중성 수소 가스를 볼 수 있게 해주므로 전파 천문학에 특히 중요하다.

2. 2. 표기법

금지선 표기는 문제의 원자 또는 분자 종에 대괄호를 사용하여 표기한다. 예를 들어 [O III] 또는 [S II]와 같이 표기한다. 질소([N II] 654.8 및 658.4 nm), 황([S II] 671.6 및 673.1 nm), 산소([O II] 372.7 nm, 그리고 [O III] 495.9 및 500.7 nm)의 금지선은 천체 물리학 플라스마에서 흔히 관찰된다.

3. 핵물리학에서의 금지선

핵물리학에서 금지선은 원자핵의 감마 붕괴 또는 베타 붕괴 속도가 억제되는 현상을 말한다. 이는 핵의 각운동량 변화와 관련된 규칙 때문에 발생한다.

감마 붕괴와 베타 붕괴에 대한 자세한 내용은 각각 하위 섹션을 참조하면 된다.

두 붕괴 모두 금지 정도가 증가할수록 관련 붕괴 과정의 반감기가 늘어나는 공통점을 보인다.^[3]^[4]

3. 1. 감마 붕괴

들뜬 원자핵의 감마 붕괴 속도를 억제하여 핵의 준안정 이성체의 존재를 가능하게 하는 가장 일반적인 메커니즘은, 핵의 각운동량(임의의 주어진 방향을 따라)을 가장 흔한(허용된) 양인 1 양자 단위 ħ|에이치바^영어의 스핀 각운동량만큼 변화시키는 붕괴 경로가 들뜬 상태에 없다는 것이다. 이러한 변화는 스핀이 이 시스템에서 1 단위인 감마선 광자를 방출하는 데 필요하다. 각운동량에서 2, 3, 4, 그 이상의 단위의 정수 변화가 가능하지만(방출된 광자는 추가적인 각운동량을 전달한다), 1 단위 이상의 변화는 금지 전이라고 알려져 있다.^[3] 금지 정도(방출된 감마선이 전달해야 하는 1보다 큰 추가적인 스핀 변화 단위)는 붕괴 속도를 약 5자리수 정도 억제한다.^[3] 알려진 가장 높은 스핀 변화인 8 단위는 Ta-180m의 붕괴에서 발생하며, 1 단위와 관련된 붕괴보다 10³⁵배만큼 붕괴를 억제하므로, 자연 감마 붕괴 반감기가 10⁻¹²초인 대신에 반감기가 10²³초 이상, 즉 적어도 3 x 10¹⁵년이 되어 붕괴가 아직 관찰되지 않고 있다.

핵의 각운동량 변화가 2, 3, 4 등인 감마 붕괴는 금지되어 있지만, 상대적으로만 금지되어 있으며 진행되지만, 정상적인 허용된 1 단위 변화보다 느린 속도로 진행된다. 그러나 핵이 스핀이 0인 상태에서 시작하고 끝나면, 그러한 방출은 각운동량을 보존하지 못하므로 감마 방출은 절대적으로 금지된다. 이러한 전이는 감마 붕괴로는 발생할 수 없으며, 어떤 경우에는 베타 붕괴와 같은 다른 경로 또는 베타 붕괴가 선호되지 않는 경우에는 내부 전환을 통해 진행되어야 한다.

3. 2. 베타 붕괴

베타 붕괴는 방출되는 방사선의 각운동량 값에 따라 분류된다. 감마 붕괴와 달리, 베타 붕괴는 스핀이 0이고 짝수 패리티를 가진 핵에서 스핀이 0이고 짝수 패리티를 가진 핵으로 진행될 수 있다(페르미 전이). 이는 방출된 전자와 중성미자가 반대 스핀을 가질 수 있기 때문에 가능하며(방사선의 총 각운동량이 0이 됨), 핵이 방출 전후에 스핀 0을 유지하더라도 초기 상태의 각운동량을 보존한다. 이러한 유형의 방출은 초허용으로, 베타 붕괴 과정에 수반되는 양성자/중성자 비율의 변화에 취약한 핵에서 가장 빠른 유형의 베타 붕괴임을 의미한다.

베타 붕괴에서 방출된 전자와 중성미자의 다음 가능한 총 각운동량은 결합된 스핀 1(전자와 중성미자가 같은 방향으로 회전)이며 허용된다. 이러한 유형의 방출(가모-텔러 전이)은 핵 스핀을 1만큼 변경하여 보상한다. 방출된 방사선의 더 높은 각운동량(2, 3, 4 등)을 포함하는 상태는 금지되어 있으며, 각운동량 증가에 따라 금지 정도가 분류된다.

구체적으로, L > 0 일 때 붕괴는 금지 붕괴라고 한다. 핵 선택 규칙은 L 값이 2보다 클 경우 핵 스핀(J)과 패리티 (π)의 변화가 모두 수반되어야 한다. L번째 금지 전이에 대한 선택 규칙은 다음과 같다.

:

\Delta J = L-1, L, L+1; \Delta \pi = (-1)^L,

여기서 Δπ = 1 또는 -1은 각각 패리티 변화 없음 또는 패리티 변화에 해당한다. 언급했듯이, 페르미 0⁺ → 0⁺ 전이의 특수한 경우(감마 붕괴에서는 절대적으로 금지됨)는 베타 붕괴에 대해 초허용이라고 하며, 베타 붕괴가 가능하면 매우 빠르게 진행된다. 다음 표는 처음 몇 개의 L 값에 대한 ΔJ 및 Δπ 값을 나열한다.

금지 정도	ΔJ	Δπ
초허용	0⁺ → 0⁺	없음
허용	0, 1	없음
첫 번째 금지	0, 1, 2	예
두 번째 금지	1, 2, 3	없음
세 번째 금지	2, 3, 4	예

감마 붕괴와 마찬가지로, 금지 정도가 증가할 때마다 관련 베타 붕괴 과정의 반감기가 약 4~5 차수만큼 증가한다.^[4]

이중 베타 붕괴가 실험실에서 관찰되었다. 예를 들어 Selenium|셀레늄^영어-82에서 관찰되었다.^[5] 지구화학적 실험에서도 평균 반감기가 10¹⁸ 년 이상인 여러 동위원소에서 이러한 희귀한 유형의 금지 붕괴를 발견했다.^[6]

4. 고체 물리학에서의 금지선

어븀과 네오디뮴과 같은 희토류 원소의 금지 전이는 이를 도핑제로 사용하여 고체 레이저 매질에 활용할 수 있게 한다.^[7] 이러한 매질에서 원자는 충돌에 의해 탈여기되지 않도록 유지되며, 들뜬 상태의 긴 반감기는 광학적으로 펌핑하여 들뜬 원자의 큰 집단을 쉽게 만들 수 있게 한다. 네오디뮴이 도핑된 유리는 네오디뮴 원자 내의 금지된 ''f''-''f'' 전이로부터 특이한 색상을 얻으며, 극도로 고출력의 고체 레이저에 사용된다. 벌크 반도체 전이 또한 대칭에 의해 금지될 수 있으며, 이는 흡수 스펙트럼의 함수 형태를 변화시킬 수 있으며, 이는 Tauc 플롯에서 보여줄 수 있다.

참조

_[1] 서적 Molecular Symmetry and Spectroscopy https://books.google[...] NRC Research Press
_[2] 논문 Experiments with Glow-in-the-Dark Toys: Kinetics of Doped ZnS Phosphorescence
_[3] 웹사이트 14.20 Gamma Decay https://web1.eng.fam[...]
_[4] 웹사이트 Beta decay types http://oregonstate.e[...] 2014-08-14
_[5] 논문 Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in ⁸²Se 1987
_[6] 논문 Experiment double beta decay: Historical review of 75 years of research
_[7] 논문 Optical detection of a single rare-earth ion in a crystal
_[8] 논문 Laser Spectroscopy on Forbidden Transitions in Trapped Highly Charged Ar¹³⁺ Ions American Physical Society

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