남들은 다 알고 나만 모르는 물리 2탄

1탄에 이어서 원자에 대한 이야기입니다

이제 원자에 대한 이야기를 우주로 까지 확장시켜보려합니다

이제 원자의 크기뿐만 아니라 92가지의 종류라는 것도 알게되죠

하지만 우리는 이 물질들의 기원을 알아야 모든 탄생의 비밀을 풀 수가 있습니다..

우선 100년전으로 돌아가보죠

파리 남동부 작은 실험실에서

방사능을 처음 연구한 화학자 이야기입니다

 

 

1989년에 발견한 물질인데 바로 라듐입니다 그냥 평범해 보이지만

강력한 에너지를 가지고있죠

방출하는 전파는 기존의 전파보다 수백만배 강했습니다 바로 방사능이죠

또한 1그램에 100톤의 석탄보다 많은 에너지가 있다는걸 알아냅니다

 

 

네 다들 잘 아시는 마리 퀴리입니다

하지만 처음 발견했을 당시 사람들은 무지했기에 위험한 발상들을 합니다

프랑스 사람들은 건강에 좋을 것이라 생각하고

입욕제, 향수, 페이스크림, 면도날까지 만들어 팔기도 했습니다

 

1919년 러더포드는 방사능 연구에 뛰어들게 됩니다 

그러다 러더포드의 학생중 하나가 놀라운 발견을 하죠

  

 

라듐같은 방사능 물질이 공기가 들어있는 용기에 들어가면

신기하게 수소 기체 소량이 생긴다는 것이였습니다

공기에는 거의 수소가없는데 뜬금없이 수소라뇨..

그래서 러더포드는 공기의 모든 종류를 분리한다음 연구했습니다

그가 발견한것은 공기의 80%를 차지하는 질소가 산소와 수소로 바뀐다는 것이죠

한 원소를 둘로 바꾼것이죠

하지만 그가 관심가진것은 원소안에 있는 작은 무언가..

핵이였습니다

 

원자속에 아원자세계가 있다는걸 안것이죠

원자보다 10만배작은 핵을 발견하고 난 뒤입니다

하지만 핵이란 무어일까요

러더포드는 보일과 달리 수식 굉장히 싫어합니다

실용적 접근에 관심이 더 많았죠

 

당구공으로 설명하자면 양성자라는 공하나에 양성자 친구들이 붙어서 새로운 물질을 만들어 낸다는거죠

수소는 1개 헬륨은 2개 리튬은 3개 탄소는 6개 가장무거운 우라늄은 92개

이게 러더포드의 이론입니다

엄청 간단하지 않습니까?원소는 핵의 양성자 숫자로 정의된다는거죠

그런데 문제가 발생합니다

 

그 문제를 발견한 사람이 바로 프란시스 애스톤입니다

 

여기 애스톤의 분광기가 있습니다

이 기구를 사용해 원자의 무게를 잰것이죠

 

 

무게를 재는 과정은 굳이 중요하지 않습니다만

놀란만한건 1차 세계대전 직후 원자의 무게를 잴 수있었다는 것이죠

아무튼 무게를 재자마자 무언가 이상이있음을 발견합니다

양성자가 두개인 헬륨은 양성자가 하나인 수소보다 무게가 두배여야하는데

네배로 나온것이죠

양성자말고 다른 무언가 더 있다는 뜻이죠..

 

12년 뒤인 1932년 제임스 체드윅이 엄청난 장치를 만들어냅니다

 

지금 거대한 가속기들을 생각하면 어처구니없는 크기입니다

하지만 이렇게 작은 장치로...

이 장치로 양성자 외에 다른 입자의 존재를 알게되죠

양성자와 무게가 거의 같지만 전하를 가지고있지 않은 중성자를 발견합니다

 

따라서 헬륨이 수소 무게보다 4배 더 나가는 이유는 양성자 2개와 중성자 2개를 가지고 있기 때문이죠

그리고 산소는 각각 8개의 양성자와 중성자를 가지고 있죠 수소 무게의 16배죠

이제 핵 주위를 회전하는 입자와 전자 그리고 핵을 구성하는 양성자와 중성자가 있음을 알게됩니다

이제부터 핵물리학의 출발입니다

 

 

하지만 궁금한점이 또 생기게되죠

물리학에선 같은 전하를 가지면 서로 밀어냅니다 자석처럼요

그러나 양전자끼리는 잘도 뭉쳐있습니다 왜그런걸까요..

일반적으로 자연의 힘은 중력, 전자기력이 있습니다

여기에 핵속에 숨어있는 또다른 힘이 있던것이죠

 

 

바로 핵력입니다 멀리 떨어져 있으면 서로 밀어내지만

가까이 붙는다면 아주 강력하게 붙게되죠 양성자 중성자 모두 작용하는 힘이죠

세기는 중력에 1조배 입니다 아 여기서 가까운 정도는 1조분의 1mm입니다

 

태양이 빛나는 이유는 수소의 양성자 하나가 친구를 만나 부딪치면서 헬륨으로 융합될때

빛을 내는것이죠 수소핵끼리 만나면서 생기는 빛입니다

하지만 문제는 중성자입니다

중성자는 중성이여서 방해받지않고 원자의 중심으로 날아가

핵과 부딪칠수도 있습니다

학자들은 이 문제를 어렵게 생각하지 않고

중성자를 보이는 원소에 마구 쏩니다

새로운 발견을 위해서죠

 

 

우라늄에 쏘자 훨씬 가벼운 바륨이 나왔습니다

하지만 어째서..바륨이 생겨난것일까요

 

리제 마이트너는 원자핵이 말그대로 반으로 나뉘어졌다고 했습니다

 

강한 핵력이 핵을 붙잡아주지 못해 핵이 반으로 쪼개집니다

 

이때 나오는 에너지는 상상을 초월하죠

원자력의 시대가 열린것입니다

프리쉬와 마이트너가 발견한것은 핵 분열이였습니다

핵안의 거대한 에너지를 인위적으로 방출할수 있게 된것이죠

이 시기는 2차 세계 대전이르모

연합국 과학자들은 오펜하이머의 지위아래 연구를 했고

그 결과 1945년 히로시마와 나가사키에서 확인해볼수 있었죠

핵연구에 20억 달러가 소모되었지만

우리는 더 발전할수 있었습니다

원자핵의 안정도를 정확하게 측정할 수 있게된거죠

핵력과 전자기력을 비교하는것입니다 전자기력이 크면 불안정하고 핵력이 크면 안정된 상태입니다

그러다 또 새로운 발견을 하게됩니다

철이 아주 안정적인 물질이란것이죠

우라늄같은 물질은 아주 불안정하여 스스로 붕괴하며 방사능을 분출하는것이죠

 

 

 

안정도 그래프에서 놀라운점은 우주에 존재하는량과 어느정도 일치한다는 것이죠

안정적인 철은 우주에 아주 많은 원소인 반면 불안정한 라듐은 거의 없죠

이 원소들의 근원은 어딜까요?

 

 

호일은 태양와같은 별에서 핵융합을 통해 수소가 헬륨으로 변하는것을 알고 있었습니다

하지만 핵융합은 상상도 못하는 온도에서 이루어집니다

 

태양보다 더 뜨거워야죠 마치 태양이 촛불처럼 보일정도로 뜨거운 무언가가요

  

 

우주의 98%가 수소와 헬륨인데 여기서 빅뱅이론에 더 힘들 실어주게 됩니다

엄청난 폭발과 함께 핵융합이 가능해서 수소와 헬륨이 만들어 졌다는 이론 말이죠

[林潤娥]

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