개념완성

부분파 분석 (Partial Wave Analysis)

1. 부분파 전개

구면 대칭 포텐셜 V(r)V(r)에 의한 산란에서, 산란 진폭을 각운동량 양자수 \ell로 분해한다.

정의7.5부분파 전개

산란 진폭의 부분파 전개(partial wave expansion):

f(θ)==0(2+1)fP(cosθ)f(\theta) = \sum_{\ell=0}^{\infty}(2\ell+1)f_\ell P_\ell(\cos\theta)

여기서 ff_\ell\ell번째 부분파 진폭(partial wave amplitude), PP_\ell은 르장드르 다항식이다.

전체 산란 단면적:

σtot=4π=0(2+1)f2\sigma_{\text{tot}} = 4\pi\sum_{\ell=0}^{\infty}(2\ell+1)|f_\ell|^2

2. 위상 이동

정의7.6위상 이동

SS-행렬의 부분파 원소는 유니터리성에 의해:

S=e2iδS_\ell = e^{2i\delta_\ell}

여기서 δ\delta_\ell위상 이동(phase shift)이다. 부분파 진폭과의 관계:

f=e2iδ12ik=eiδsinδkf_\ell = \frac{e^{2i\delta_\ell} - 1}{2ik} = \frac{e^{i\delta_\ell}\sin\delta_\ell}{k}

전체 산란 단면적:

σtot=4πk2=0(2+1)sin2δ\sigma_{\text{tot}} = \frac{4\pi}{k^2}\sum_{\ell=0}^{\infty}(2\ell+1)\sin^2\delta_\ell

3. 위상 이동의 물리적 의미

참고위상 이동의 해석

자유 입자의 지름 파동함수는 rr \to \infty에서:

R(0)(r)sin(krπ/2)krR_\ell^{(0)}(r) \sim \frac{\sin(kr - \ell\pi/2)}{kr}

포텐셜이 있으면:

R(r)sin(krπ/2+δ)krR_\ell(r) \sim \frac{\sin(kr - \ell\pi/2 + \delta_\ell)}{kr}

위상 이동 δ\delta_\ell은 포텐셜에 의한 파동함수의 위상 변이이다:

  • δ>0\delta_\ell > 0: 인력 포텐셜 (파동함수가 "당겨져" 앞당겨짐)
  • δ<0\delta_\ell < 0: 척력 포텐셜 (파동함수가 "밀려" 지연됨)

4. 저에너지 산란

저에너지 (ka1ka \ll 1, aa는 포텐셜의 범위) 극한에서 1\ell \geq 1 부분파의 기여가 억제되어, ss-파 (=0\ell = 0) 산란이 지배한다.

정의7.7산란 길이

저에너지 극한에서 ss-파 위상 이동:

kcotδ01as+12rek2+k\cot\delta_0 \approx -\frac{1}{a_s} + \frac{1}{2}r_e k^2 + \cdots

여기서:

  • asa_s: 산란 길이(scattering length)
  • rer_e: 유효 범위(effective range)

k0k \to 0 극한:

σtot4πas2\sigma_{\text{tot}} \approx 4\pi a_s^2
예제경구형 포텐셜의 위상 이동

반지름 aa인 경구형(V=V = \infty for r<ar < a)의 ss-파 위상 이동:

경계 조건 ψ(a)=0\psi(a) = 0에서:

δ0=ka\delta_0 = -ka

저에너지 극한 (ka1ka \ll 1): δ0ka\delta_0 \approx -ka, 산란 길이 as=aa_s = a

σtot4πa2\sigma_{\text{tot}} \approx 4\pi a^2

고에너지 극한에서는 많은 부분파가 기여하며, 총 단면적은 2πa22\pi a^2에 접근한다.

5. 공명 산란

정의7.8브라이트-위그너 공명

위상 이동이 π/2\pi/2를 지날 때 부분파 단면적이 최대가 된다 (sin2δ=1\sin^2\delta_\ell = 1). 에너지 ErE_r 근처에서:

fΓ/2ErEiΓ/2f_\ell \approx \frac{\Gamma/2}{E_r - E - i\Gamma/2}

대응하는 부분파 단면적:

σ=4π(2+1)k2(Γ/2)2(EEr)2+(Γ/2)2\sigma_\ell = \frac{4\pi(2\ell+1)}{k^2}\frac{(\Gamma/2)^2}{(E - E_r)^2 + (\Gamma/2)^2}

이것이 브라이트-위그너(Breit-Wigner) 공명 공식이다. ErE_r은 공명 에너지, Γ\Gamma는 공명의 (width)으로 τ=/Γ\tau = \hbar/\Gamma는 준안정 상태의 수명이다.

공명 최대값:

σmax=4π(2+1)kr2\sigma_\ell^{\max} = \frac{4\pi(2\ell+1)}{k_r^2}

이 값은 유니터리 한계(unitarity limit)이며, SS-행렬의 유니터리성에 의해 부분파 단면적이 가질 수 있는 최댓값이다.

6. 부분파 급수의 수렴

충돌 매개변수 bb와 각운동량의 관계: L=pb=kbL = pb = \hbar k b, 즉 kb\ell \sim kb

포텐셜의 범위가 aa이면, >ka\ell > ka인 부분파는 원심력 장벽에 의해 포텐셜에 도달하지 못하므로 δ0\delta_\ell \approx 0이다. 따라서 유효 부분파의 수:

maxka\ell_{\max} \sim ka

저에너지 (ka1ka \ll 1): ss-파만 기여, 고에너지 (ka1ka \gg 1): 많은 부분파가 기여.