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별난 원자

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목차

1. 개요

별난 원자는 일반적인 원자와는 다른 입자 구성이나 결합 상태를 갖는 원자를 통칭한다. 여기에는 전자가 뮤온, 타우온과 같은 렙톤이나 파이온, 반양성자와 같은 강입자로 대체된 렙톤 원자, 강입자 원자, 그리고 입자와 반입자가 결합된 오늄 등이 있다. 또한 하이퍼론 원자, 하이퍼핵 원자, 엑시톤과 같은 준입자 원자, 별난 원자를 포함하는 별난 분자도 존재한다. 이러한 별난 원자들은 양자 전기역학, 강한 상호작용, 핵물리학 연구 등에 활용된다.

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별난 원자
개요
명칭이종 원자, 별난 원자, 뮤온 원자
영어Exotic atom
구성
정의하나 이상의 전자가 다른 하전 입자로 대체된 원자
구성 입자전자
뮤온
반양성자
양전자
종류
뮤온 원자전자가 뮤온으로 대체된 원자
뮤오늄양성자가 양전자로 대체된 원자
양전자-전자 쌍소멸전자와 양전자가 서로 소멸하여 감마선을 방출하는 현상
반양성자 헬륨 원자반양성자가 헬륨 원자의 전자 중 하나를 대체한 원자
연구
목적기본 입자 및 기본 상호 작용 연구
새로운 원자 및 분자 물리학 연구
응축 물질 연구
활용정밀 분광학
핵 구조 연구
기본 상수 측정

2. 별난 원자의 유형

별난 원자는 일반적인 원자를 구성하는 입자 중 일부가 다른 입자로 치환된 원자를 말한다. 치환되는 입자의 종류에 따라 크게 렙톤 원자, 강입자 원자, 오늄, 하이퍼핵 원자 등으로 나눌 수 있다.


  • '''렙톤 원자''': 원자의 전자가 뮤온이나 타우온과 같은 다른 무거운 렙톤으로 치환된 경우이다. 뮤온 원자가 대표적이다. 렙톤은 강한 상호작용을 하지 않아 주로 전자기 상호작용의 영향을 받으며,[3] 무거운 렙톤이 핵에 더 가깝게 돌아 양자 전기역학(QED) 효과 연구에 활용된다.
  • '''강입자 원자''': 원자의 전자가 강입자로 치환된 경우이다.[19][8] 치환된 강입자에 따라 중간자 원자, 반양성자 원자, 중입자 원자 등으로 나뉜다.[20][21][22][10][11][12] 강입자는 강한 상호작용을 하므로, 핵과의 상호작용을 통해 양자 색역학(QCD) 연구에 활용된다.[18][21][23][13]
  • '''오늄''': 입자와 그 반입자가 결합 상태를 이룬 oniumeng(복수형: oniaeng)을 말한다. 전자와 양전자가 결합한 포지트로늄이 가장 기본적인 예이다.[14] 파이오늄, 프로토늄, 쿼코늄 등도 오늄에 속한다. 단, 뮤오늄은 이름과 달리 반뮤온과 전자의 결합 상태이다.[24][15]
  • '''하이퍼핵 원자''': 하이퍼론을 포함하는 하이퍼핵 주위를 전자가 도는 원자로, 주로 핵물리학 분야에서 연구된다.


이 외에도 엑시톤(전자와 정공의 결합 상태) 등 다양한 형태의 별난 원자 또는 유사한 계가 존재하거나 이론적으로 예측되고 있다.

2. 1. 렙톤 원자

렙톤 원자는 원자를 구성하는 전자가 전자보다 무거운 다른 렙톤으로 치환된 이종 원자를 가리킨다. 대표적인 렙톤 원자로는 전자가 뮤온으로 치환된 뮤온 원자와 타우온으로 치환된 타우온 원자가 있다.

렙톤은 전자기력, 약력, 중력과만 상호작용하며 강력은 느끼지 못한다. 따라서 렙톤 원자를 지배하는 기본적인 힘은 전자기력이다. 뮤온이나 타우온은 전자보다 질량이 훨씬 크기 때문에, 보어 모형에 따르면 이들 렙톤의 궤도는 일반적인 전자 궤도보다 원자핵에 훨씬 더 가깝게 형성된다. 이러한 특성으로 인해 양자 전기역학적 효과가 중요하게 작용하며, 렙톤 원자의 에너지 준위 등을 연구하여 양자 전기역학 이론을 실험적으로 검증하는 데 활용될 수 있다.

2. 1. 1. 뮤온 원자

뮤온 원자(Muonic atom)는 원자핵 주위를 도는 전자 중 하나 이상이 뮤온으로 치환된 이종 원자이다.[3] 뮤온은 전자와 마찬가지로 렙톤에 속하며, 전자기 상호작용, 약한 상호작용, 중력의 영향을 받지만 강한 상호작용은 느끼지 않는다. 따라서 뮤온 원자를 지배하는 기본적인 힘은 전자기력이다.

뮤온은 전자보다 질량이 약 207배 크기 때문에, 보어 모형에 따르면 뮤온의 궤도는 전자 궤도보다 훨씬 핵에 가깝게 위치한다. 이로 인해 핵의 전하 분포나 진공 편극과 같은 양자전기역학(QED) 효과가 일반 원자보다 훨씬 중요해진다. 따라서 뮤온 원자의 에너지 준위를 정밀하게 측정하고 들뜬 상태에서 바닥 상태로의 전이 과정을 연구하는 것은 양자전기역학 이론을 검증하는 중요한 실험적 수단이 된다.

2개의 양성자, 2개의 중성자, 1개의 뮤온 및 1개의 전자로 구성된 뮤온 헬륨.


음전하를 띤 뮤온이 일반 물질과 상호작용하면 원자핵에 포획되어 뮤온 원자를 형성할 수 있다.[4] 형성된 뮤온 원자 내의 뮤온은 약 2.2 μs의 고유 수명을 가지고 붕괴되거나, 원자핵 내부의 양성자에 포획될 수 있다. 특히 원자 번호가 큰 무거운 원자핵의 경우 뮤온 포획 과정이 매우 중요하게 작용하며, 이로 인해 뮤온의 유효 수명이 약 0.08 μs까지 크게 단축되기도 한다.[4]

뮤온 원자 연구는 기초 물리 연구 외에도 뮤온 촉매 핵융합과 같은 기술적 응용 가능성을 탐구하는 데 활용된다. 과거에는 뮤온이 중간자의 일종으로 잘못 분류되었기 때문에 '뮤-중간자 원자(mu-mesic atom)'라고 불리기도 했으나, 현재는 뮤온이 렙톤으로 밝혀져 이 명칭은 잘못된 것으로 간주된다.[3]

2. 1. 2. 타우온 원자

'''타우온 원자'''는 전자가 타우온으로 치환된 원자를 말한다. 타우온 역시 전자와 같은 렙톤에 속하며, 렙톤은 전자기력, 약력, 중력하고만 상호작용한다. 따라서 타우온 원자를 지배하는 기본적인 힘은 전자기력이다. 렙톤과 원자핵은 강력의 영향을 받지 않는다.

타우온은 전자보다 질량이 훨씬 크기 때문에, 보어 모형에 따르면 타우온의 궤도는 원자핵에 더 가깝게 형성된다. 이러한 특성 때문에 타우온 원자의 상태를 정확하게 계산하고 이해하기 위해서는 양자전기역학 이론이 필요하다. 타우온 원자의 에너지 준위를 정밀하게 연구하고, 들뜬 상태와 바닥 상태 사이의 에너지 전이를 관찰함으로써 양자전기역학 이론의 예측을 실험적으로 검증할 수 있다.

2. 2. 강입자 원자

'''강입자 원자'''는 원자의 궤도 내 전자가 강입자로 대치된 별난 원자이다.[19][8] 강입자의 종류에 따라 중간자로 치환된 경우 '''중간자 원자''',[20][21][22] 반양성자로 치환된 경우 '''반양성자 원자''',[20][21][22] 그리고 중입자로 치환된 경우 '''중입자 원자'''[20][21][22][10][11][12] 등으로 불린다.

렙톤인 전자와 달리 강입자는 강한 상호작용(핵력)을 한다.[18][21] 따라서 강입자 원자의 에너지 준위는 원자핵과 강입자 사이에 작용하는 강력의 영향을 받는다. 강력은 매우 짧은 거리에서만 작용하므로 이 효과는 강입자의 궤도가 원자핵에 가까울수록 커진다.[18][21][2][11] 이 영향으로 에너지 준위가 넓어지거나, 강입자가 핵에 흡수되어 해당 준위가 사라질 수도 있다.[2][11] 이러한 특성 때문에 파이온 수소나 케이온 수소와 같은 강입자 원자에 대한 연구는 강한 상호작용의 기본 이론인 양자색역학을 실험적으로 검증하는 데 중요한 역할을 한다.[23][13]

2. 2. 1. 중간자 원자

'''강입자 원자'''는 원자 궤도의 전자가 강입자로 치환된 별난 원자이다.[19] 이 중에서 파이온이나 케이온과 같이 음전하를 띤 중간자로 전자가 치환된 경우를 '''중간자 원자'''라고 부른다.[20][21][22][8] 구체적으로, 파이온으로 치환된 원자는 ''파이온 원자'',[9] 케이온으로 치환된 원자는 ''케이온 원자''라고 한다. 예를 들어, 수소 원자의 전자를 케이온으로 치환한 케이온 수소는 케이온 원자의 한 종류이다.[11][12]

렙톤인 전자와 달리, 중간자는 강입자이기 때문에 원자핵과 강한 상호작용(핵력)을 한다.[18][21] 이 상호작용은 중간자의 궤도가 원자핵에 가까울수록 강하게 나타나며, 원자의 에너지 준위에 영향을 미친다. 이 영향으로 에너지 준위가 넓어지거나, 심한 경우 중간자가 원자핵에 흡수되어 해당 준위가 사라질 수도 있다.[2][11]

이러한 중간자 원자의 특성은 강한 상호작용을 설명하는 기본 이론인 양자색역학(QCD)을 실험적으로 검증하는 데 중요한 단서를 제공한다. 특히 파이온 수소나 케이온 수소에 대한 연구는 양자색역학 이론을 시험하는 데 활발히 이용된다.[23][13]

2. 2. 2. 반양성자 원자

'''반양성자 원자'''는 강입자 원자 또는 핵자 원자의 일종으로, 원자의 궤도 전자 중 하나 이상이 음전하를 띤 반양성자로 치환된 상태를 말한다.[20][21][22][8]

반양성자는 강입자이기 때문에 렙톤인 전자와 달리 강한 상호작용(핵력)을 한다. 따라서 반양성자 원자의 에너지 준위는 원자핵과 반양성자 사이의 강한 상호작용의 영향을 받는다. 강한 상호작용은 매우 짧은 거리에서만 작용하므로, 반양성자가 원자핵에 가까운 궤도에 있을수록 그 영향이 커진다.[18][21][2][11] 경우에 따라 에너지 준위가 넓어지거나, 반양성자가 원자핵에 흡수되어 사라질 수도 있다.[2][11]

이러한 특성 때문에 반양성자 원자는 다른 강입자 원자들과 마찬가지로 강한 상호작용 이론인 양자 색역학을 실험적으로 검증하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있다.[23][13]

반양성자 원자의 대표적인 예로는 반양성자 헬륨이 있다. 이는 헬륨 원자핵(알파 입자)과 전자 하나, 그리고 반양성자 하나로 구성된 원자로, 헬륨 원자의 전자 두 개 중 하나가 반양성자로 치환된 형태이다.

2. 2. 3. 중입자 원자

'''중입자 원자'''는 강입자 원자의 한 종류로, 원자의 전자 중 일부가 음전하를 띤 중입자로 치환된 상태를 말한다.[20][21][22] 예를 들어, 시그마- 입자(Σ−)가 전자를 대체한 ''시그마온 원자''가 중입자 원자에 해당한다.[10][11][12]

렙톤과 달리 중입자는 강한 상호작용을 하므로, 중입자 원자의 에너지 준위는 원자핵과 중입자 사이에 작용하는 강력의 영향을 받는다.[18][21] 강력은 매우 짧은 거리에서만 작용하기 때문에, 이 효과는 궤도가 원자핵에 가까울수록 두드러진다.[2][11] 경우에 따라 에너지 준위가 넓어지거나, 중입자가 원자핵에 흡수되어 해당 궤도가 사라질 수도 있다.[2][11] 이러한 특징 때문에 중입자 원자는 강력 상호작용의 이론인 양자 색역학을 검증하는 실험적 탐침으로 활용될 수 있다.[23][13]

2. 3. 오늄 (Onium)

'''오늄'''(oniumeng, 복수형: 오니아 oniaeng)은 입자와 그 반입자가 결합한 상태를 의미한다. 가장 기본적인 예는 전자와 양전자가 결합한 포지트로늄으로, 이는 1950년대부터 양자 마당 이론 연구에 활용되었으며 최근에는 비상대론적 양자 전기역학(NRQED) 연구에 쓰인다.[14]

파이온 두 개가 결합한 파이오늄이나 양성자와 반양성자가 결합한 프로토늄 등은 강력 상호작용 연구에 중요하며, 이국적 하드론 이해에도 기여한다. 아직 관측되지 않은 카오니움(케이온 결합 상태)도 있다.

강력 상호작용 이론에서는 무거운 쿼크와 그 반쿼크로 이루어진 쿼크오늄 상태(메손의 일종)가 중요하며, 이는 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 및 격자 QCD 연구를 통해 양자 색역학(QCD)을 검증하는 데 활용된다. (탑 쿼크는 너무 무거워 오늄을 형성하기 전에 붕괴한다.)

한편, 뮤오늄은 이름과 달리 뮤온과 반뮤온의 결합 상태가 아니며, IUPAC은 반뮤온과 전자의 결합 상태에 이 이름을 부여했다. 뮤온과 반뮤온이 결합한 '진짜 뮤오늄'(true muoniumeng)과[24][15] 타우 입자와 반타우 입자가 결합한 '디타우오니움'(ditauoniumeng)[16]의 존재는 이론적으로 예측되었다.

2. 3. 1. 포지트로늄

오늄은 입자와 그 반입자가 바닥 상태로 결합한 것을 말하며, 가장 기본적인 오늄이 바로 포지트로늄이다. 포지트로늄은 전자(e-)와 그 반입자인 양전자(e+)가 준안정 상태로 결합된 입자로,[14] 마치 수소 원자의 양성자를 양전자로 바꾼 것과 비슷한 구조를 가진다.

포지트로늄은 삼중항 상태에서 비교적 긴 수명(142 ns)을 가진다.[14] 이러한 특성 덕분에 1950년대부터 양자장론에서 결합 상태를 이해하기 위한 연구 대상으로 활용되어 왔다. 최근에는 비상대론적 양자 전기역학(NRQED) 이론을 검증하는 중요한 시험 무대가 되고 있다.

2. 3. 2. 파이오늄

'''파이오늄'''(Pionium)은 서로 반대되는 전하를 가진 두 개의 파이온(π±)이 결합 상태를 이루는 오늄이다. 때로는 '파이온 원자'라고도 불린다.

파이오늄은 강력 상호작용을 탐구하는 데 중요한 역할을 한다. 파이오늄과 프로토늄 같은 입자들의 결합 상태를 이해하는 것은 메손 분자나 펜타쿼크와 같은 이국적 하드론에 대한 이해를 넓히는 데 기여할 수 있다.

2. 3. 3. 프로토늄

'''프로토늄'''(Protonium영어)은 오늄의 일종으로, 양성자와 반양성자가 준안정 상태로 결합하여 만들어진 별난 원자이다. 이는 마치 수소 원자에서 전자를 반양성자로 치환한 것과 유사한 구조를 가진다.

프로토늄과 같은 양성자-반양성자 결합 상태는 강력 상호작용을 탐구하는 데 중요한 대상으로 여겨진다. 또한, 프로토늄의 성질을 이해하는 것은 메손 분자나 펜타쿼크와 같은 이국적 하드론과 관련된 개념을 명확히 하는 데 기여할 수 있다.

2. 3. 4. 쿼코늄

쿼크오늄(Quarkonium)은 강력 상호작용 이론에서 포지트로늄의 진정한 유사체로 여겨지는 특정 메손을 가리킨다. 이는 별난 원자와는 구별된다. 쿼코늄은 매력 쿼크나 바닥 쿼크와 같은 무거운 쿼크와 그에 해당하는 반쿼크가 결합한 상태이다. 반면, 탑 쿼크는 질량이 너무 커서 약력을 통해 빠르게 붕괴하기 때문에 안정한 결합 상태인 쿼코늄을 형성하지 못한다.

쿼코늄 상태에 대한 연구는 비상대론적 양자색역학(NRQCD) 및 격자 QCD와 같은 이론적 도구를 통해 이루어지며, 이는 양자 색역학(QCD) 이론을 검증하는 데 있어 점점 더 중요한 역할을 하고 있다.

2. 3. 5. 뮤오늄 (Muonium)

뮤오늄은 양전하를 띤 뮤온(μ+, 즉 반뮤온)과 전자(e－)가 결합하여 이루어진 별난 원자이다. 그 이름 때문에 뮤온(μ-)과 반뮤온(μ+)이 결합된 오늄 상태로 생각하기 쉽지만, 이는 사실과 다르다. IUPAC은 반뮤온과 전자가 결합한 상태에 '뮤오늄'이라는 이름을 공식적으로 부여했다. 한편, 뮤온과 반뮤온이 실제로 결합한 상태는 '진짜 뮤오늄'(true muoniumeng)이라고 불리며, 이론적으로 그 존재 가능성이 제기되었다.[24][15]

2. 4. 하이퍼론 원자

전자가 하이퍼론을 도는 경우이다.

2. 5. 하이퍼핵 원자

원자는 하이퍼핵을 공전하는 전자로 구성될 수 있으며, 이 핵에는 스트레인지 쿼크라고 불리는 하이페론 입자가 포함되어 있다. 이러한 하이퍼핵 원자는 일반적으로 핵의 행동을 연구하는 데 사용되며, 원자 물리학보다는 핵물리학의 영역에 속한다.

3. 준입자 원자

응집 물질 시스템, 특히 일부 반도체에서는 엑시톤이라는 상태가 존재하는데, 이는 전자와 정공이 결합한 상태이다.

4. 별난 분자

별난 분자는 하나 이상의 별난 원자를 포함하는 분자를 말한다.


  • 이중 포지트론: 두 개의 포지트론 원자가 결합한 형태이다.
  • 포지트론 수소화물: 수소 원자에 포지트론 원자가 결합한 형태이다.


한편, "별난 분자"라는 용어는 피라미드형 헥사메틸벤젠이나 리드베리 원자처럼 다른 드문 특성을 가진 분자를 가리키는 데 사용되기도 한다.

참조

[1] 서적 Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles Walter de Gruyter
[2] 웹사이트 Exotic atoms https://www.accesssc[...] McGraw-Hill 2000-01
[3] 웹사이트 Richard Feynman - Science Videos http://vega.org.uk/v[...]
[4] 서적 Advances in Nuclear Physics Springer
[5] 논문 Kinetic Isotope Effects for the Reactions of Muonic Helium and Muonium with H2 2011-01-28
[6] 논문 Muonic alchemy: Transmuting elements with the inclusion of negative muons
[7] 논문 Electronic properties of atoms and molecules containing one and two negative muons 2013-05-10
[8] 서적 Fundamentals in Hadronic Atom Theory World Scientific
[9] 논문 Laser spectroscopy of pionic helium atoms 2020-05-06
[10] 문서 Deloff
[11] 뉴스 The strange world of the exotic atom https://www.newscien[...] New Scientist 1990-08-04
[12] 서적 Quantum Mechanics Prentice-Hall of India Private Ltd.
[13] 뉴스 Exotic atoms cast light on fundamental questions https://cerncourier.[...] CERN Courier 2006-11-01
[14] 논문 Order α2 Corrections to the Decay Rate of Orthopositronium 2000-05-29
[15] 웹사이트 Theorists Reveal Path To True Muonium – Never-seen Atom https://www.scienced[...] 2009-06-04
[16] 논문 Ditauonium spectroscopy
[17] 서적 Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles Walter de Gruyter
[18] 웹사이트 Exotic atoms http://www.accesssci[...] McGraw-Hill 2007-09-26
[19] 서적 Fundamentals in Hadronic Atom Theory World Scientific
[20] 문서 Deloff
[21] 뉴스 The strange world of the exotic atom http://media.newscie[...] New Scientist 1990-08-04
[22] 서적 Quantum Mechanics Prentice-Hall of India Private Ltd.
[23] 뉴스 Exotic atoms cast light on fundamental questions http://cerncourier.c[...] CERN Courier 2006-11-01
[24] 간행물 Theorists Reveal Path To True Muonium -- Never-seen Atom. http://www.scienceda[...] ScienceDaily 2009-06-04


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