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X선 빔으로 헬륨과 질소원자를 이온화할 때 이 효과를 직접 관찰.

광이온 효과, 원자의 반동
물리학자들은 90년 전 광이온화 이론을 실험적으로 증명

마지막으로 입증:
물리학자들이 90년 된 광이온화 이론을 성공적으로 입증했다.
이에 따르면, 빛에 의해 튀어 나오는 전자는 만나는 원자의 반동으로 빛을 향해 움직인다.
연구원들은 X선 빔으로 헬륨과 질소원자를 이온화할 때 이 효과를 직접 관찰했다.

▲ 물리학자들이 광이온화 원자의 충격을 측정하고 1930년 전 이론을 실험으로 확인했다. © APS / S. Grundmann et al., Phys. Lett. (2020)

아인슈타인은 빛과 물질 사이의 근본적인 상호 작용을 기술했다.
고에너지 광자가 원자에 부딪히면 전자를 더 높은 에너지 레벨로 만들거나 심지어 원자 그룹에서 완전히 전자를 방출 할 수 있다. 원자는 이온화된다.
전자는 운동량의 측정치가 증명하는 것처럼 광자뿐만 아니라 원자 자체에서도 에너지를 받는다.

운동량 보존 문제

1930년 뮌헨 물리학자인 아놀드 좀머펠트(Arnold Sommerfeld)는 이 효과는 또 다른 영향을 미친다고 가정했다. 전자의 반대 방향, 즉 일종의 반동으로 광자의 근원 쪽으로 움직여야 한다.

구체적으로 말하면, 이것은 빛의 방사선 압력이 일반적으로 빛의 앞에 물질을 밀어 넣을 수 있지만, 예를 들어 빛 항해에서 광이온화의 경우에는 반대로 된다는 것을 의미한다. 전자를 방출하는 원자는 광원에서 멀어지지 않고 광원 쪽으로 조금 움직인다.
좀머펠드(Sommerfeld)의 이론은 이렇다.
그러나 해당 측정 기술이 없기 때문에 이 광이온화 효과를 입증할 수 없었다.

▲ Photograph of participants of the first Solvay Conference, in 1911, Brussels, Belgium.

▲ 1 Walter Nernst 2 Robert Goldschmidt 3 Max Planck 4 Marcel Brillouin 5 Heinrich Rubens 6 Ernest Solvay 7 Arnold Sommerfeld 8 Hendrik Antoon Lorentz 9 Frederick Lindemann 10 Maurice de Broglie 11 Martin Knudsen 12 Emil Warburg 13 Jean-Baptiste Perrin 14 Friedrich Hasenöhrl 15 Georges Hostelet 16 Edouard Herzen 17 James Hopwood Jeans 18 Wilhelm Wien 19 Ernest Rutherford 20 Marie Skłodowska-Curie 21 Henri Poincaré 22 Heike Kamerlingh Onnes 23 Albert Einstein

헬륨과 질소의 X-선 충격

프랑크푸루트 대학교(Goethe University Frankfurt)의 스벤 그룬드만(Sven Grundmann)과 동료들은 이제 누락된 실험적 증거를 보였다.
실험을 위해 프랑크푸르트에서 개발된 COLTRIMS 반응 현미경을 사용했다.
이것으로 광이온화 과정에서 생성된 입자의 운동량과 운동 방향을 분광학적으로 기록하고 측정할 수 있다. 연구원들은 이 측정 시스템을 함부르크에 있는 DESY의 X-ray 라인과 프랑스 그레노블에 있는 ESRF에 설치했다.

실제 실험을 위해 Grundmann과 그의 팀은 서로 다른 에너지 레벨의 X-선 광자로 헬륨과 질소 가스(N2)를 조사했다. 그들은 X-선 광자가 하나의 전자를 원자 밖으로 두드리도록 조건을 선택했다. 이를 통해 관련 파트너의 충격량을 출적할 수 있었다.
Grundmann의 동료 린하르트 되르너(Rinhard Dörner)는 “이온의 충격을 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 전자의 반동에서 나오는 이온의 위치도 확인할 수 있다”고 설명했다.

예측 확인

결과 : 90년 전에 예측한 바와 같이 물리학자들은 새로 이온화된 원자에서 역 펄스를 측정할 수 있었다. 그룬드만(Grundmann)과 그의 연구팀은 “이온에 대한 임펄스(Impulse) 분포의 평균값은 광자 펄스의 –3/5에 있으며 빛의 방향에 반대 방향으로 향하게 된다.

이 결과는 90년 전 예측을 확인하게 했다"고 보고했다.

동시에, 실험은 ‘잘못된’ 반동의 강도가 원자를 때리는 광자의 에너지에 선형적으로 의존한다는 것을 보여 주었다. 광자가 더 활발할수록, 방출된 전자가 원자를 제공하는 ‘킥kick’이 더 강해진다. 되르너(Dörner)는 “우리의 실험적 혁신을 통해 에너지를 두 개 이상의 광자 사이에 분배할 때 어떤 변화가 있는지와 같은 더 많은 질문을 할 수 있게 되었다”고 말했다.

(Physical Review Letters, 2020; doi : 10.1103 / PhysRevLett.124.233201)
출처 : Goethe Universität Frankfurt

[더사이언스플러스]

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