[스크랩] 별의 일생 I 원자 -또 다른 우주

 

                    별의   일생     I 원자 -또 다른  우주

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

당신은   밤하늘을  본 적이 있는가?

 

쏟아질듯 펼쳐진  별무리가  춤을 추기 시작하면

내게서  살며시 빠져 나온  영혼은  

별들이 전해주는  이야기에   흠뻑 취하게 된다.

 

 

 

우리는  별에서  태어났다.

아니  우리  인간뿐 아니라

숨 쉬는  그 모든  생명들이   별에서 태어났다.

그리고  우리는  조상 대대로  지구라 불리는  행성을   보금자리 삼아  살아가고 있다.

 

 

지금  이 순간에도   생명을  잉태시키고

자기들의 이야기를  들어줄   생명을  유지시켜주기 위해

별들은  오늘도 어김없이 떠오르고    내일도 분명히  다시  밤하늘을  밝힐 것이다.

 

 

별들이  어디에서 왔으며  

별들은  어떻게 살아가고 있는지  이제 우리는   그들의 이야기를  들어보기로 하자.

 

 

 

137억 년 전   t=0이라고  알려진 순간

짧고 광대한  영광의 순간에 

단 한 번의  요동에 의하여   상상을 넘어서는  대폭발이 일어났다.

 

그리고  38만 년이  흐른 후에   초고온 상태의  우주가

절대온도  3,000k까지 떨어지고   열에너지가  약해지게 되자,

전자가  전기력에 의해  원자핵의 주변에  구속되기 시작하면서   원자가  만들어지기 시작한다.

 

 

태초에  우주가  대폭발로  탄생하면서  형성된 원자는   대부분이  수소와 헬륨으로  이루어졌다 

-현재도 우주에는   수소가 75%,  헬륨이 25% 정도이며   나머지 원자들이  극소량  분포되어있다. 

 

 

 

생명이  주위 환경에서   물질을 섭취하여  에너지로 사용하듯

우리 모두에게  생명을 불어 넣어준   별들도

우주에 널려 있는  수소를  연료로   생명을 유지한다.

그러므로  별의 일생을 이해하기 위해서는   먼저 원자에 대해  이해를 해야 한다.

 

 

자연에는  수소에서부터  우라늄까지

화학적 성질이  뚜렷하게 다른  92종의 원소가  존재하며

원자핵반응에 의해  만들어지는 인공원소로는  넵투늄에서부터 우닐셉튬까지  15종이 알려져 있다.

 

-불은  화학 원소로  만들어진 것이 아니다.

원자가  고온의 상태에 놓이면   전자를 잃고  전리(電離 electrolytic dissociation)된다.

이렇게 전리된  고온의 플라스마가 내는  전자기 파동이   우리에게  불로 보이는 것이다.

 

 

 

원자(原子 atom) 라는 용어는   물질의 궁극적 입자라는 뜻으로

화학 원소로서의  특성을 유지하는  가장 작은 단위이다.

 

우리 몸을 구성하는  원자들의 총수는  대략 1028 개이며,

관측 가능한  우주에 들어 있는  양성자, 중성자, 전자와 같은   소립자들의 총 수는  대략 1080 개가 된다.

 

 

양성자와 중성자 같은  소립자들을 구성하는 

더 근본적인 알갱이를  쿼크 quark라고 부른다.

쿼크야말로  궁극의 기본 입자인지,  아니면  쿼크도  더 근본적인 입자들로  구성돼 있는지는  아직 모른다.

 

궁극의 입자를  찾기 위해

우리는  언제까지  물질의 내부를  더 깊이  들여다봐야 하는 것인지도,

기본 입자를 찾는 행진이   끝도 없이  영원히 계속되는 것인지도  아직 모른다.

이것이야말로  현대 과학이 풀어야 할  가장 근본이 되는 문제 중 하나일 것이다.

 

 

 

       원자핵 모형도

 

 

 

원자는  하나의  원자핵과

그 핵을 둘러싼  하나 또는 두 개 이상의  전자로 이루어진다.

 

원자핵은  다시

양(陽)의  전하(電荷)를 가진  양성자(陽性子 proton)와

전하를  가지지 않는  중성자(中性子 neutron)로  되어있으며,

이 둘은  질량이 대략 같으며   핵자(核子)라 총칭된다.

 

전자(電子 electron)는

음(陰)의 전하(電荷)를  가지고 있으며   원자핵 바깥에 퍼져 있다.

원자에 들어 있는  전자의 수는   언제나  양성자의 수와 같다.

 

 

원자의  화학적 정체는   양성자의 수에 의해서  결정되며

따라서  양성자의 수가  늘어날 때마다   새로운 원소가  만들어진다.

하나의 양성자로 된 원자가  수소이고,   두 개의 양성자로 된 원자는  헬륨이며,   세 개로 된 원자는  리튬이다.

 

중성자는  원자의 정체에  영향을 주지는 않지만,   질량에는  영향을 미친다.

일반적으로  중성자의 수는  양성자의 수와 대략 같지만,   조금씩 다를 수도 있다 (동위원소)

 

 

 

원자의 핵은  매우 작다.

원자핵은  전체 원자 부피의  1조분의 1밖에 되지 않지만

그 속에는  원자 질량의  99.9%를 차지하는   무거운 소립자인  양성자와 중성자가  들어 있다.

 

핵 바깥은  텅 비어 있으며   핵과 아주 멀리 떨어진 외곽에  전자가 퍼져 있다.

어떻게 보면   전자는  텅 빈 공간에서  떠돌아다니는  솜털이라고 할 수도 있다.

 

이와 같이  원자들이   핵을 제외한  대부분이  텅 비어있다면

우리가 경험하는  단단함이라는 것도   결국  환상에 불과하게 된다.

 

 

-만약 우리가   주먹으로  벽을 친다고 하면

주먹과 벽이  서로  충돌하는 것이 아니라   두 물체 사이에   전자들이 서로  반발하기 때문이다.

만약  원자들이  전하를 가지고 있지 않다면

주먹은  은하들처럼  아무런 방해를  받지 않고   벽을 뚫고  지나갈 수 있을 것이다.

 

 

 

19세기 말에  톰슨이  전자를  발견하면서부터

원자가  다른 입자들로  구성되어 있다는 주장이   설득력을 얻게 되었지만

원자가 과연  어떤 입자들로  구성되어 있고,   그 입자들이  어떻게 모여 있으며,

그 모양이  어떤가에 대한 정보는  밝혀져 있지 않았다.

 

 

20세기에 들어서면서  

닐스 보어가   원자의 현대적인 모형을  제안한다.

그는  플랑크와 아인슈타인이  발전시키고 있던   양자화 가설을   원자 모형에  도입하기로 했다.

-이러한 생각은   고전물리학으로는  설명할 수 없는,

그 당시에는  수용하기 힘든   매우 대담하고  획기적인 발상이었다.

 

 

원자핵 주위를  돌고 있는 전자는   모든 에너지를  가질 수 있는 것이 아니라

띄엄띄엄한 값을 가지는   안정한 상태에만  존재할 수 있다고   보어는 가정했다.

전자가  이렇게  안정한 상태에서   원자핵을  돌고 있다면

전자기파를  방출하지 않게 되고   따라서 에너지가  줄어들지도 않는다.

 

 

예를 들어  전자는  10이나 20이라는 에너지는  가질 수 있지만

그 사이의  다른 에너지인   11이나 12와 같은  연속적인 에너지는   가질 수 없다고  가정하자.

 

원자 주위를  돌고 있는  전자가

이처럼  띄엄띄엄한  불연속적인 에너지만을  가진다고 하면

전자는  에너지를 잃거나  얻기가 힘들 것이다.

에너지를 잃거나 얻기 위해서는   한 에너지에서  다른 에너지로   건너뛰어야 하기 때문이다.

 

 

일정한  에너지를 가지는  이러한  안정된 상태를   에너지 준위라고 한다.

전자가  에너지를 얻거나  잃기 위해서는   한 에너지 준위에서   다른 에너지 준위로  건너뛰어야 한다.

즉  에너지를  조금씩 얻거나  잃는 것이 아니라

두 에너지 준위의  차이에 해당하는  에너지를   한꺼번에  얻거나 잃어야 한다는 것이다.

 

 

-계단과 경사로를  생각해보면   무슨 의미인지  쉽게 이해할 수 있다.

비스듬한 경사로를   올라갈 때는

아주 조금만  에너지를 얻어도   그 에너지에 해당하는 만큼   경사로를  올라갈 수 있다.

그러나  계단을 올라갈 때는   계단을 올라가기에  충분한 에너지가 없다면   조금도 올라갈 수 없다.

 

 

원자 속에 있는  전자가

경사로를 올라가는 것처럼   조금씩  에너지가 필요한 것이 아니라

계단을  올라갈 때처럼   한꺼번에  많은 에너지가  필요하다고  가정하면

전자가  원자핵 주위를  계속  돌고 있는 것을  설명할 수 있다.

 

 

전자가  에너지를  얻을 때와 마찬가지로   잃을 때도  조금씩  잃을 수는 없다.

다음 계단으로  내려갈 정도로   많은 에너지를  한꺼번에  잃어야 한다.

 

그런데  그런 일은  늘 일어나는 것이 아니라

어떤 조건이  만족될 때만  일어나는 일이라고  가정하면

전자는  에너지를 잃지 않고  계속해서   원자핵 주위를  도는 것을  설명할 수 있다.

 

이것이   양자도약 quantum jump으로

두 궤도 사이를 움직이는  전자는

한 궤도에서  사라지는  바로 그 순간에   다른 궤도에서  나타나게 되지만,

그 사이의  공간은   절대로  지나갈 수가 없다.

전자는  특별한  궤도에서만  존재할 수 있기 때문에   그런 궤도에서  나타날 수 있을 뿐이다.

 

 

 

보어의  원자모형에 의하면

원자핵  주위를 돌고 있는  전자 궤도는   원자핵에서  먼 궤도일수록  큰 에너지를 갖는다.

 

따라서  전자가  아래 궤도에서  위 궤도로 가려면   에너지를  흡수해야 하고

위 궤도에서 아래 궤도로  떨어질 때는   빛의 형태로  에너지를  방출해야 한다.

전자는  빛을 방출하거나 흡수하여   에너지를  잃거나 얻는다.

 

보어는  자신의 원자모형을  이용해  

수소 원자가 내는  스펙트럼의 진동수를  설명해 내는데 성공했다.

 

 

 

이후 원자의 현대적인 모형은

닐스 보어와 슈뢰딩거 같은 학자들이  양자 역학을  토대로 하여 제시하였다.

 

원자 내에서  특정 전자의  위치와 운동을  정확하게 기술하는 것은  불가능하며

어느 공간에서  전자가  발견될 확률을   알 수 있을 뿐이라고  이야기한다.

그래서  이러한  확률을  계산하여   원자 내에서의  확률 분포를  구름처럼 나타내었고,   이를  '전자 구름 모형'이라 한다.

 

 

이로써  전자들이  확실하게 정의된  궤도만을  차지할 수 있기 때문에

음전하를 가진  전자들이  양전하를 가진  원자핵으로  끌려들어가지  않는다는 것도  밝혀졌다.

 

 

 

한편,  원자핵에  전하를 띤 입자라고는  양성자뿐인데,

원자핵이  와해되지 않는 까닭은  무엇일까?

 

그것은  핵에는  또 다른 종류의  힘,   즉  핵력이 작용하기 때문이다.

 

 

자연계에  존재하는  기본적인 힘은   중력, 전자기력, 강력, 약력이 있다.

이들은   '초힘 super force' 이라는   하나의 힘 속에  통합되어 있다가

대폭발 후  처음  중력이  분리되고 나서   나머지 힘들도  차례대로  분리되었다.

 

 

현대적인 이론에서는   이 네 가지 힘에는

각각의 힘을  매개하는 입자가 있다고  이해하고 있다.

중력자(중력),  광자(전자기력),  W 및 Z-보존(약력),  글루온(강력)이  그들이다.

 

 

중력과 전자기력은  친숙한 힘이지만

강력과 약력은   원자핵 내부와 같이  극히 작은 세계 안에서만  미치는 힘으로   우리에게  낯설다.

 

중력(gravitational force)은

질량이 있는   두 물체 사이에  인력(引力)으로 작용하는 힘으로   4가지 힘 중  가장 약한 힘이다.

 

전자기력(electromagnetic force)은

전하를 갖고 있는  물체 사이에서  작용하는 힘으로   두 번째로  강한 힘이다.

전자석처럼  전기로  자기력을 만들 수 있고,   반대로 발전기처럼  자기력으로  전기를 만들 수도 있다.

전자기력은  원자핵과 전자를 결합시켜  원자를 만들거나   원자와 원자를 결합시켜  분자나 결정을  이루게 하기도 한다.

 

약한 상호작용(弱力 weak force)은

우라늄이나 라듐 같은  원소들이  자발적으로  방사능 붕괴를  일으키는 것과 같이

원자핵의 붕괴에서 나타나는   짧은 거리에서  작용하는 힘으로   세 번째로  강한 힘이다.

 

강한 상호작용(强力 strong force)은

양성자와 중성자 내부에 있는   쿼크들을  결속 시키는 동시에

양성자와 중성자를   원자핵 속에서  강하게  결합시켜 주는  힘이다.

핵과 같이  좁은 영역에   중성자가  양성자와 함께  들어 있으므로,

핵에서는  강력이 발동하여   양성자들 사이의 척력을  무기력하게 만드는 것이다.

이 힘도  핵의 크기 정도의  매우 짧은 거리에서만  작용하며   4가지 힘 중에서  가장 강한 힘이다.

 

 

이중에서   가장 약한 힘은  중력이고,   가장 강한 힘은  강력이다.

원자 크기에서 보면   전자기력은  중력보다  무려 1036배나  강하다.

공중에 매달린  자석에  쇠구슬이  땅으로 떨어지지 않고  붙는 것은

전자기력이  중력보다  훨씬 강한 힘이라는 것을  보여준다.

 

강력은   이런 전자기력의  100배,   약력의  1013배에 이른다.

 

비록 중력이  미약한 힘이기는 하지만   거시적인 세계에서는  중력이 지배하게 된다.

그 이유는  강력과 약력은   원자핵 정도의   미시세계에서 작용하는  힘이고,

전자기력은  전하의 부호에 따라   인력과 척력이  동시에  작용하기 때문이다.

 

 

다행히 우리는   전자들의 척력 덕분에

일상생활을  무리 없이  꾸려 갈 수 있다.

우리의 일상이   원자의 미시적 구조에  의존하는 것이다.

 

전자기력이  작용하지 않는다면

우주의  그 어떤 구조물도   그대로 남아 있을 수가  없으며

그야말로  모든 것이  눈에 보이지도 않을  먼지 부스러기로  될 것이다.

 

 

 

자연에 있는  원소들은   어디에서 왔을까?

우주 어디를 보든   존재하는 물질의  99%가  수소와 헬륨이다.

즉  양성자 하나나 둘을 가진  가장 간단한 원소가   우주에  가장 흔하다는  말이다.

 

-지구는  예외다.

지구의  자체 중력만으로는   가장 가벼운  수소나 헬륨 원자를   오랫동안  붙잡아 둘 수 없었기 때문에

태양계가  생성되던 당시   지구에 있었던  수소와 헬륨 원자는   거의 모두  우주 공간으로  날아가 버렸다.

 

 

그렇다면  다른 원소들은   혹시  수소와 헬륨에서  만들어진 것은 아닐까?

간단한 핵에서  복잡한 핵을 만들려면   양성자와 중성자를  첨가하면 된다.

 

이 경우에  양성자 사이의  전기적 척력(斥力)을

어떻게  적절히 상쇄시킬 수 있느냐가   문제의  핵심이다.

 

 

 

 

       지구에서   가장 가까운  별                                                                 사진제공  미 항공 우주국

 

태양의  격동하는 모습이   한 장의 사진에  그대로 잡혀 있다.

왼쪽 윗부분에서   홍염이  장엄하게 솟아오르는 모습을   STEREO 위성이  촬영.

홍염은  태양 외부로  30만km나 뻗어있지만,   머지않아  태양 광구로  곤두박질할 것이다.

사진에 보이는  가장 작은 부분이라도   그 크기가  우리 지구에 맘먹는다.

 

 

 

 

역시 그 임무는   핵력의 몫이다.

핵력의 발동은   핵자들이  매우 가까이 접근해야  가능한데,

극도로  고온인 상황에서는   핵자들의 근거리 접근을  기대할 수 있다.

 

온도가 대략  1000만 도 이상의  상황에서는

핵자들이  전기적 척력이  위력을 발휘할 수 없을 정도로   매우 빠르게  충돌하기 때문이다.

이 고온의 조건은   별의 중심부에서  쉽게 만들어진다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

출처 : 블랙러샨

글쓴이 : 블랙러샨 원글보기

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