전자쌍생성

전자쌍생성 (프랑스어:L'effet de production de paire, 영어:The pair production)

정의 : 1.022MeV이상의 고에너지 전자기 방사선이 원자핵과 반응하여 광자(γ입자 또는 감마선)가 소멸하는 대신에 한 쌍의 양전자와 음전자가 생성되는 현상.

 

1933년 영국 과학자 패트릭 블래킷(Patrick Blackett, 1897.11.18~1974.07.13)에 의해 발견된 전자쌍생성은 블래킷이 고안한 가이거 계수기(Geiger counter, 이온화 방사선을 측정하는 장치이며 계수관을 통해 알파,베타,감마선같은 방사선에 의해 이온화되는 정도를 표시해주는 계수기로 1908년 독일 물리학자 한스 빌헬름 가이거에 의해 개발되었다) 시스템을 사용해 입자 궤적 수백개중 14개의 입자 궤적이 다른 궤적들과는 반대방향을 가진 것을 발견하면서 알려졌다. 여담으로 패트릭 블래킷은 오펜하이머(J. Robert Oppenheimer, 1904.04.22~1967.02.18)의 케임브리지 대학교 재학당시 지도교수이기도 하다. 

전자쌍생성은 말 그대로 전자 한 쌍이 생성되는 것으로 입사방사선의 에너지가 1.022MeV보다 클 때에만 일어나고(전자 하나의 정지질량 0.511MeV이므로 한쌍의 질량에너지 합2mc^2은 1.022MeV), 전자쌍은 에너지가 클수록 잘 발생하는 경향이 있다. 또한 전자파 방사선(감마선)이 물질의 핵 근처를 통과할 때 자기장의 영향을 받아 방사선(감마선)이 정지하게 되면서 양전자와 음전자가 결합하게 되면서 방사선은 소멸감마선(Annihilation gamma ray)으로 전환된다. 물질 핵 근처로 도달하는 방사선은 전자쌍 생성과정에서 상대적으로 질량이 큰 원자핵이 반동을 살짝 받아 미량의 운동량을 가지기 때문에 전자쌍생성에서는 운동량 보존 법칙도 적용되는데 이는 높은 에너지의 방사선이 핵 근처에서 상호작용해 운동량 보존 법칙에 위배되지 않도록 양전자와 음전자쌍을 만드는 걸로 해석된다.  

전자쌍생성, 출처 - 위키피디아

전자쌍 생성식

전자는 페르미온(Fermion, 전자의 스핀이 1/2이고, 4개의 양자수 동일 배치 불가능)이기 때문에, 파울리 배타 원리(Pauli exclusion principle, 1924)에 따르면 전자쌍은 같은 양자수(Quantum number)를 가질 수 없고 전자쌍은 같은 오비탈에 속한다. 만약, 전자쌍이 같은 양자수를 가지려면 스핀 양자수(Spin quantum number)가 서로 달라야 하는데 전자쌍의 경우 스핀 양자수가 같으므로 자기 모멘트가 서로 상쇄되어버려 반자성(Diamagnetism, 자기장에 대한 물질의 약한 반발력으로 평소 자성을 띄지 않는 물질이 외부자기장이 가해지면 물질이 외부자기장의 반대방향으로 약하게 자화되는 물리적 성질)형태를 띠는 특징이 있다. 

 

한번 더 강조하자면, 전자쌍생성은 광자의 에너지가 1,022MeV*이상일 때 발생한다.

*1,02MeV이상에서 발생하는 이유, 광자2개(0,511MeV+0,511MeV=1,022MeV)보다 높지 않으면, 연속스펙트럼 형태를 가진다.

	설명	식	산란
전자쌍생성	생성된 양전자는 에너지를 잃을 무렵쯤 음전자와 결합하면서 소멸한 후 0,511MeV 광자2개(감마선2개) 방출된다		광자2개 서로 반대방향(180도)으로 산란(흡수는 컴프턴 산란 형태)**
생성전자 에너지	에너지-질량 보존법칙에 의거하여 전개된다

**소멸 복사선 또는 소멸 감마선

 

전자쌍생성 발생확률

입사광자의 에너지가 높을수록 전자쌍생성 발생확률이 증가하고, 또 물질의 원자번호 크기가 클수록 전자쌍생성이 일어나기 쉽다. 확률 자체를 따질 땐 방사선 에너지 세기에 따른 전자쌍생성 단면적(Cross-section)을 기준으로 설명하는데, 에너지 세기가 증가함에 따라 전자쌍생성 단면적이 로그함수 형태를 띈다. 

	심볼	확률 식
전자쌍의 발생확률