[박종진의 과학 이야기] 우주의 기본 원소

박종진

대폭발로 인해서 생긴 공간에는 그저 에너지만 충만할 뿐 아무 것도 존재하지 않았다. 빅뱅으로 생긴 공간에 가득한 에너지는 시간이 지나면서 아인슈타인의 에너지-질량 등가의 원리에 따라 질량을 가진 물질로 변하기 시작했는데 이를 상전이 현상이라고 한다. 말하자면 수증기가 물로, 그리고 물이 얼음으로 변하는 것처럼 그 물리적 성질의 일부가 바뀌는 것을 뜻한다.  
 
맨 처음 에너지로부터 변환된 물질은 양성자와 중성자였다. 그런데 불안정한 상태의 중성자가 바로 깨지면서 생겨난 전자가 양성자와 결합하여 수소 원자가 되었다. 그런 수소 원자는 중성자가 빠져서 가벼우므로 경수소라고 하는데 우주에 가장 흔한 원소다.  
 
그러는 동안 공간이 팽창하여 온도가 지속적으로 떨어져서 드디어 양성자와 중성자가 결합하여 제대로 핵자를 이루기 시작했다. 이때 비로소 양성자와 중성자가 결합한 핵자를 가진 중수소가 생겨났고 중수소는 빅뱅에 의해서만 만들어진 원소이므로 중수소의 존재는 빅뱅을 증명할 수 있는 중요한 단서가 된다.  
 
이렇게 경수소에 중성자 하나가 결합하여 중수소가 되는데 그 둘은 동위원소여서 질량만 다를 뿐 화학적 특성이 같다. 중수소는 항성의 핵융합에 결정적인 역할을 한다.
 

수소는 원소주기율표의 가장 첫 번째 원소이다. 가장 먼저 만들어져서 원자 번호 1번이 아니라 양성자가 하나이기 때문이다. 원자핵 속의 양성자의 수를 원자 번호로 정했기 때문에 원자 번호는 양성자의 수와 같다. 양성자는 +전하이고 자신과 같은 수의 중성자와 결합하여 원자핵을 이루는데 중성자는 전하가 없어서 주변을 떠도는 -전하를 갖는 전자를 붙잡아 전기적으로 안정을 이룬다. 그렇게 양성자 하나, 중성자 하나, 그리고 그 주변을 도는 전자 하나가 모여서 수소라는 원자가 된다.
 
양성자가 두 개가 되면 당연히 중성자도 둘이 모인다. 그 둘은 항상 쌍으로 행동하기 때문이다. 그리고 전기적으로 안정되려면 전자도 둘이 필요한데 그렇게 만들어진 원소는 주기율표에서 2번인 헬륨이다. 빅뱅 직후 대폭발로 인한 공간은 그 온도와 밀도가 너무 높아서 이미 합성된 수소 원자핵이 고온과 고압을 견디지 못하고 양성자와 중성자를 하나씩 더 포획하고 전자 하나를 더 붙잡아서 헬륨 원자를 만들기 시작했다. 그렇게 몇 분이 지난 후에 공간 전체의 온도와 밀도가 임계치 아래로 떨어지게 되자 원자 합성은 그 상태로 끝이 난다. 그때 공간은 75% 정도의 수소와 25%의 헬륨으로 채워지게 되었고 우리는 그 공간을 우주라고 이름 붙였다.
 
원자 번호 3번부터는 별에서 만들어지는데 제26번 철까지 만들어지면 끝이다. 수명이 다한 별은 그 무게에 따라 다른 종말을 맞는데 별의 질량이 태양의 두 배에 못 미치는 작은 별들은 연료인 수소가 떨어져서 핵융합이 멈추면 백색왜성이 되어 천천히 식어간다. 별의 질량이 태양의 5배가 넘는 아주 큰 별들은 탄소 융합 과정을 거치며 초신성이 되어 은하 규모로 폭발한다. 그때 철보다 무거운 원소가 만들어지며 그 파편을 아주 멀리 흩뿌리는데 원자 번호 92번 우라늄까지 만들며 생을 마친다. 그러므로 우주에는 총 92개의 기본 원소가 존재하며 수소와 헬륨 일부를 빼놓고 모두 별이 만들었다. (작가)  
 
 

박종진