[6강 원자 속으로] 힘과 원소의 형성

1. 자연에 존재하는 네 가지 힘

 자연에는 4가지의 힘이 존재한다. 이 힘은 육안으로 볼 수 없는 원자의 상호작용을 지배할 뿐만 아니라 행성과 별, 태양 간의 관계에도 막대한 영향을 끼친다. 그렇다면 힘이란 무엇일까? 누군가에게 무언가를 하게끔 힘을 쓴다는 것은, 그만큼 압력을 가함으로써, 그 대상자가 내려야 할 결정이나 취해야 할 행동에 영향력을 행사하는 것이다. 

 네 가지의 힘이 모든 물질에 작용하는 것은 아니다. 예를 들어 중력은 모든 입자에 영향을 미치지만, 전자기력은 전하를 띤 입자에만 작용한다. 각 힘은 특정한 입자와 관련되는데, 이 입자들은 힘이 영향력을 행사할 수 있는 범위까지 그 힘을 매개하는 역할을 한다.

 

(1) 첫번째 힘, 전자기력(electromagnetic force)

 전자기력의 힘은 반대끼리 끌리고, 비슷한 것끼리 밀어내는 힘이다. 예를 들어, 양이온은 용액 내에서 음이온에게 이끌리지만, 다른 양이온들과는 서로 밀어낸다. 전자기력은 빛을 구성하는 입자이기도 한 광자를 매개로 하여 형성된다.

 

(2) 두번째 힘, 강한 핵력(strong nuclear force)

 강한 핵력은 네 가지 힘 중 가장 강력한 힘이다. 이 힘은 글루온이라는 입자를 매개로 하여 형성된다. 이 힘을 통해 핵은 형태를 유지하고, 전자기력의 효과를 상쇄시킨다. 핵력이 없다면 양성자들끼리 서로 반발하여 핵은 무한히 분열될지도 모른다.

 

(3) 세번째 힘, 약한 핵력(weak nuclear force)

 이 힘은 탄소-14나 우라늄-235, 칼륨-40 과 같은 방사성 동위 원소의 베타 붕괴를 설명할 수 있다. 우라늄-235가 방사성 자연붕괴를 일으켜서 납-207이 되면, 우라늄 방사성 동위 원소의 중성자는 양성자로 붕괴하게 되는 것이다.

 

(4) 네번째 힘, 중력(gravitational force)

 중력은 네 가지 힘 중 가장 약하지만 우리 생활 속에서 가장 쉽게 느낄 수 있는 힘이다. 하지만 중력은 다른 강한 힘들을 상쇄시킬 수 있는데, 이는 중력의 가산성과 중력이 작용하는 범위 때문이다. 질량을 가진 모든 물체는 중력의 영향을 받고, 중력이 작용하는 범위는 실질적으로 한계가 없다.

 

자연계에 존재하는 4가지 힘.

 

2. 원소는 어떻게 형성되었을까?

 원소들의 기원은 별이다. 모든 것은 별에서 시작된 것이다. (그러니까 우린 별에서 와서 별로 돌아간다는 말이 맞긴 맞는 모양이다.) 빅뱅 이론에 의하면, 최초의 폭발 직후에 많은 일들이 일어났다. 원자 입자들은 100억 ℃라는 엄청난 열 속에서 우주를 떠다녔다. 수소와 헬륨, 소량의 리튬에 이때 만들어진 최초의 원소들로 추정되며, 수소와 헬륨은 현재에도 우주의 대부분을 구성하는 원소들이다. 

 하지만 여전히 설명되지 않는 많은 원소들이 남아있다. 수소와 헬륨을 제외한 대부분의 원소들은 핵합성(nucleosynthesis)이라는 과정을 통해 별에서 생성되었다고 하는 가설이 널리 받아들여지는데, 핵 합성은 말그대로 핵이 합성되는 것이다. 이제까지 과학자들은 핵 합성을 비롯하여 많은 것을 알아냈지만, 암흑 물질이나 암흑 에너지와 같이 우주의 많은 부분들은 여전히 미지의 상태이다.

 태양도 별이기에 끊임없이 핵융합이나 핵합성을 하고 있다. 태양의 중심핵에서는 수소 원자들이 헬륨으로 융합되면서 상상을 초월하는 에너지를 방출한다. (이전에도 이야기했다만) 별에서 수소가 다 소모되고 나면, 별은 헬륨을 융합 혹은 태우기 시작하는데, 이러한 과정에서 상대적으로 더 무거운 질소나 산소 같은 원소를 만들어낼 수 있다. 보통 여기까지는 에너지를 방출해내는 발열반응이지만, 철과 같이 무거운 원소들을 형성하기 위한 핵융합 과정은 에너지를 흡수하는 흡열반응이다.

 별들은 영원히 존재하지 않는다. 별들이 폭발하는 이유는 원소들을 더 이상 만들 수 있는 연료가 떨어졌기 때문이라고 받아들여지고 있다. 이렇게 폭발하는 별을 초신성이라고 부르는데, 이는 메가톤급 폭탄이며 과학자들은 이 때 여러 종류의 무거운 원소들이 형성된다고 믿는다.

 

게 성운. 폭발한 별의 잔해이다. 과학자들은 자연에서 발견되는 가장 무거운 원소들이 이곳에서 기원했다고 믿는다.