부분파 분석 (Partial Wave Analysis)
1. 부분파 전개
구면 대칭 포텐셜 V(r)에 의한 산란에서, 산란 진폭을 각운동량 양자수 ℓ로 분해한다.
정의7.5부분파 전개
산란 진폭의 부분파 전개(partial wave expansion):
f(θ)=ℓ=0∑∞(2ℓ+1)fℓPℓ(cosθ)여기서 fℓ은 ℓ번째 부분파 진폭(partial wave amplitude), Pℓ은 르장드르 다항식이다.
전체 산란 단면적:
σtot=4πℓ=0∑∞(2ℓ+1)∣fℓ∣2
2. 위상 이동
정의7.6위상 이동
S-행렬의 부분파 원소는 유니터리성에 의해:
Sℓ=e2iδℓ여기서 δℓ은 위상 이동(phase shift)이다. 부분파 진폭과의 관계:
fℓ=2ike2iδℓ−1=keiδℓsinδℓ전체 산란 단면적:
σtot=k24πℓ=0∑∞(2ℓ+1)sin2δℓ
3. 위상 이동의 물리적 의미
참고위상 이동의 해석
자유 입자의 지름 파동함수는 r→∞에서:
Rℓ(0)(r)∼krsin(kr−ℓπ/2)포텐셜이 있으면:
Rℓ(r)∼krsin(kr−ℓπ/2+δℓ)위상 이동 δℓ은 포텐셜에 의한 파동함수의 위상 변이이다:
- δℓ>0: 인력 포텐셜 (파동함수가 "당겨져" 앞당겨짐)
- δℓ<0: 척력 포텐셜 (파동함수가 "밀려" 지연됨)
4. 저에너지 산란
저에너지 (ka≪1, a는 포텐셜의 범위) 극한에서 ℓ≥1 부분파의 기여가 억제되어, s-파 (ℓ=0) 산란이 지배한다.
정의7.7산란 길이
저에너지 극한에서 s-파 위상 이동:
kcotδ0≈−as1+21rek2+⋯여기서:
- as: 산란 길이(scattering length)
- re: 유효 범위(effective range)
k→0 극한:
σtot≈4πas2
5. 공명 산란
정의7.8브라이트-위그너 공명
위상 이동이 π/2를 지날 때 부분파 단면적이 최대가 된다 (sin2δℓ=1). 에너지 Er 근처에서:
fℓ≈Er−E−iΓ/2Γ/2대응하는 부분파 단면적:
σℓ=k24π(2ℓ+1)(E−Er)2+(Γ/2)2(Γ/2)2이것이 브라이트-위그너(Breit-Wigner) 공명 공식이다. Er은 공명 에너지, Γ는 공명의 폭(width)으로 τ=ℏ/Γ는 준안정 상태의 수명이다.
공명 최대값:
σℓmax=kr24π(2ℓ+1)
이 값은 유니터리 한계(unitarity limit)이며, S-행렬의 유니터리성에 의해 부분파 단면적이 가질 수 있는 최댓값이다.
6. 부분파 급수의 수렴
충돌 매개변수 b와 각운동량의 관계: L=pb=ℏkb, 즉 ℓ∼kb
포텐셜의 범위가 a이면, ℓ>ka인 부분파는 원심력 장벽에 의해 포텐셜에 도달하지 못하므로 δℓ≈0이다. 따라서 유효 부분파의 수:
ℓmax∼ka
저에너지 (ka≪1): s-파만 기여, 고에너지 (ka≫1): 많은 부분파가 기여.