백색왜성.....그리고 중성자별 | 별에 관하여 2006/06/12 14:19
http://blog.naver.com/greentschoi/90005097858
백색왜성(White dwarf), 중성자별(Neutron star)
백색왜성과 중성자별을 이해하려면 약간의 양자역학적 지식이 필요합니다. 입자물리학에서는 입자를 크게 보존(Boson)과 페르미온(fermion)으로 나눕니다
먼저 Boson은 광자(전자기력), 중력자(중력), 글루온입자(강한핵력) 같이 힘을 매개하는 입자입니다. 이런 입자의 성질 중 중요한 것은 같은 에너지준위에 여러개가 함께 있을 수 있다는 것입니다.
보충 설명을 하자면 양자역학에서 입자가 가지는 에너지는 연속적인 함수가 아니라 어떤 수의 정수배가 되는 띠엄띠엄한 에너지준위를 갖습니다. 낮은 에너지를 가질수록 입자는 안정하게 되는데 Boson은 되도록 낮은 에너지준위에 모여들려고 합니다. 이렇게 모든 보존입자들이 바닥상태에 있는 상태를 Bose-Einstein Condensation이라고 합니다.
이에 반해 Fermion은 전자, 양성자, 중성자, 쿼크같은 실제로 물질을 이루는 입자들인데 한 개의 에너지준위에 한 개의 입자밖에 존재할 수가 없습니다. 이것을 Pauli의 배타원리라 합니다. (exclusion principle) 만약 어떤 시스템안에 1MeV의 에너지를 갖는 전자가 있다면 다른 어떤 전자도 그와 같은 에너지를 가질 수 가 없게 됩니다 이렇게 페르미온은 가장 낮은 상태부터 차곡차곡 쌓이게 되는데 이런 상태를 fermion degenerate system이라고 하고 한글로는 예전에는 축퇴라는 말이 있었는데 이건 일본말이고 최근에 좀 웃기지만"졸든계"라는 말을 쓰기도 한다고 합니다.
이때 가장 높은 에너지를 fermi energy라고 하고 이에 대응하는 운동량은 fermi momentum이라고 합니다. 어떤 시스템이 졸든계라면 그 시스템에 입자하나를 더 집어넣기 위해서는 fermi energy이상의 에너지를 가진 입자를 넣어야겠죠. 그 아래 레벨은 다 차있으니까요.
시험기간에 도서관이 다 차 있다면 들어갈 수 없죠.. 도서관이 degenerate되었기 때문입니다.. 썰렁하죠? 페르미 에너지는 입자의 개수밀도(단위부피당 입자의 개수)의 2/3승에 비례합니다.
제가 이런 양자역학적인 이야기를 한 이유는 백색왜성이 바로 전자들이 페르미온의 졸든계를 이루고 있기 때문입니다. 항성이 진화해서 더 이상 태울 핵연료가 없을 때 중력 수축이 일어나게 됩니다. 하지만 수축이 계속되지는 않습니다. 바로 전자들이 졸든계를 형성하여 버티고 있기 때문입니다. 자리가 정해져 있으니까 더 이상 작아질 수가 없는 것이죠. 그래서 갯수밀도를 안다면 fermi energy를 알게 되므로 백색왜성에서 운동하고 있는 전자의 운동에너지를 알 수 있고 속도를 알 수 있고 표면온도를 알 수 있게 됩니다. 이 온도에 해당하는 색이 흰색이기 때문에 백색왜성이라고 불리웁니다.
중성자별을 이해하려면 한가지 더 메카니즘의 이해가 필요합니다.'베타붕괴'라고 하는 것인데 이것은 자연 상태에서 일어나는 것으로서 중성자가 붕괴하여 양성자, 전자, 그리고 반 뉴트리노를 만드는 과정입니다.
중성자 -> 양성자 + 전자 + 반뉴트리노
흔히 전자가 양성자와 합쳐져서 중성자별이 된다고 이해하고 있는데 비슷은 하지만 실제로는 약간 복잡한 과정을 따릅니다.중성자의 에너지와 양성자+전자+뉴트리노 에너지를 비교하면 중성자가 훨씬 크기 때문에 에너지 보존상 역의 반응은 일어나기 어렵습니다. 이 때의 남는 에너지는 전자의 운동에너지로 전환됩니다.
(전자의 총 에너지 = 정지질량 에너지(mc^2) + 운동에너지)
만약 전자가 아주 높은 에너지 (매우 빠르게 움직이는 전자)를 가지고 있다면 역의 반응도 가능합니다.이것을 '역 베타붕괴'라고 합니다. 아까 백색왜성과 같은 상태에서 역 베타붕괴를 일으킬 만한 에너지를 전자가 가지고 있다면 반응이 역으로 일어나는 것이 가능하게 되고 상대적으로 중성자가 많은 중성자별이 됩니다. 여기서 주의할 점은 역반응이 가능하다는 것이지 모든 양성자와 전자가 중성자로 되는 것은 아닙니다.
어느정도 역 베타붕괴가 진행되면 중성자도 fermion이고 에너지준위의 한계가 있으므로 중성자의 fermi에너지가 높아지게 되어서 요구되는 전자의 운동에너지가 너무 커지게 됩니다.
이렇게 되면 역 베타붕괴는 못하게 되고 오히려 베타붕괴가 일어나게 됩니다. 이런 과정속에서 중성자별은 평형을 이루게 되는데 약간의 계산과정을 거치면
중성자 : 양성자 : 전자 의 비율이 약 8 : 1 : 1 이 되는 것을 알 수 있습니다.
http://blog.naver.com/greentschoi/90005097858
백색왜성(White dwarf), 중성자별(Neutron star)
백색왜성과 중성자별을 이해하려면 약간의 양자역학적 지식이 필요합니다. 입자물리학에서는 입자를 크게 보존(Boson)과 페르미온(fermion)으로 나눕니다
먼저 Boson은 광자(전자기력), 중력자(중력), 글루온입자(강한핵력) 같이 힘을 매개하는 입자입니다. 이런 입자의 성질 중 중요한 것은 같은 에너지준위에 여러개가 함께 있을 수 있다는 것입니다.
보충 설명을 하자면 양자역학에서 입자가 가지는 에너지는 연속적인 함수가 아니라 어떤 수의 정수배가 되는 띠엄띠엄한 에너지준위를 갖습니다. 낮은 에너지를 가질수록 입자는 안정하게 되는데 Boson은 되도록 낮은 에너지준위에 모여들려고 합니다. 이렇게 모든 보존입자들이 바닥상태에 있는 상태를 Bose-Einstein Condensation이라고 합니다.
이에 반해 Fermion은 전자, 양성자, 중성자, 쿼크같은 실제로 물질을 이루는 입자들인데 한 개의 에너지준위에 한 개의 입자밖에 존재할 수가 없습니다. 이것을 Pauli의 배타원리라 합니다. (exclusion principle) 만약 어떤 시스템안에 1MeV의 에너지를 갖는 전자가 있다면 다른 어떤 전자도 그와 같은 에너지를 가질 수 가 없게 됩니다 이렇게 페르미온은 가장 낮은 상태부터 차곡차곡 쌓이게 되는데 이런 상태를 fermion degenerate system이라고 하고 한글로는 예전에는 축퇴라는 말이 있었는데 이건 일본말이고 최근에 좀 웃기지만"졸든계"라는 말을 쓰기도 한다고 합니다.
이때 가장 높은 에너지를 fermi energy라고 하고 이에 대응하는 운동량은 fermi momentum이라고 합니다. 어떤 시스템이 졸든계라면 그 시스템에 입자하나를 더 집어넣기 위해서는 fermi energy이상의 에너지를 가진 입자를 넣어야겠죠. 그 아래 레벨은 다 차있으니까요.
시험기간에 도서관이 다 차 있다면 들어갈 수 없죠.. 도서관이 degenerate되었기 때문입니다.. 썰렁하죠? 페르미 에너지는 입자의 개수밀도(단위부피당 입자의 개수)의 2/3승에 비례합니다.
제가 이런 양자역학적인 이야기를 한 이유는 백색왜성이 바로 전자들이 페르미온의 졸든계를 이루고 있기 때문입니다. 항성이 진화해서 더 이상 태울 핵연료가 없을 때 중력 수축이 일어나게 됩니다. 하지만 수축이 계속되지는 않습니다. 바로 전자들이 졸든계를 형성하여 버티고 있기 때문입니다. 자리가 정해져 있으니까 더 이상 작아질 수가 없는 것이죠. 그래서 갯수밀도를 안다면 fermi energy를 알게 되므로 백색왜성에서 운동하고 있는 전자의 운동에너지를 알 수 있고 속도를 알 수 있고 표면온도를 알 수 있게 됩니다. 이 온도에 해당하는 색이 흰색이기 때문에 백색왜성이라고 불리웁니다.
중성자별을 이해하려면 한가지 더 메카니즘의 이해가 필요합니다.'베타붕괴'라고 하는 것인데 이것은 자연 상태에서 일어나는 것으로서 중성자가 붕괴하여 양성자, 전자, 그리고 반 뉴트리노를 만드는 과정입니다.
중성자 -> 양성자 + 전자 + 반뉴트리노
흔히 전자가 양성자와 합쳐져서 중성자별이 된다고 이해하고 있는데 비슷은 하지만 실제로는 약간 복잡한 과정을 따릅니다.중성자의 에너지와 양성자+전자+뉴트리노 에너지를 비교하면 중성자가 훨씬 크기 때문에 에너지 보존상 역의 반응은 일어나기 어렵습니다. 이 때의 남는 에너지는 전자의 운동에너지로 전환됩니다.
(전자의 총 에너지 = 정지질량 에너지(mc^2) + 운동에너지)
만약 전자가 아주 높은 에너지 (매우 빠르게 움직이는 전자)를 가지고 있다면 역의 반응도 가능합니다.이것을 '역 베타붕괴'라고 합니다. 아까 백색왜성과 같은 상태에서 역 베타붕괴를 일으킬 만한 에너지를 전자가 가지고 있다면 반응이 역으로 일어나는 것이 가능하게 되고 상대적으로 중성자가 많은 중성자별이 됩니다. 여기서 주의할 점은 역반응이 가능하다는 것이지 모든 양성자와 전자가 중성자로 되는 것은 아닙니다.
어느정도 역 베타붕괴가 진행되면 중성자도 fermion이고 에너지준위의 한계가 있으므로 중성자의 fermi에너지가 높아지게 되어서 요구되는 전자의 운동에너지가 너무 커지게 됩니다.
이렇게 되면 역 베타붕괴는 못하게 되고 오히려 베타붕괴가 일어나게 됩니다. 이런 과정속에서 중성자별은 평형을 이루게 되는데 약간의 계산과정을 거치면
중성자 : 양성자 : 전자 의 비율이 약 8 : 1 : 1 이 되는 것을 알 수 있습니다.
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