두번째 시간. 원소의 기원2-3

헬륨 He의 원자 번호는 2번이다.

원자번호는 양성자의 개수이다.

헬륨 He은 양성자를 2개 가지고 있다.

양성자만 두개를 가질 수 있을까?

저번시간 우리는 "중성자" 없이, 양성자를 붙여놓을 수 없다는 걸 배웠다.

그래서 그 양성자 두개를 중재해 줄 친구가 필요한데,

그것이 바로 "중성자"의 역할이다.

헬륨은 다음과 같은 구조를 가지고 있다.

그림 출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%97%AC%EB%A5%A8

중심 핵에 양성자2개와 중성자2개를 가지고 있다.

이 헬륨 He는 중수로로 만들어 졌다.

솔직히 수소 H+수소 H로는 중성자가 없으므로 보기만 해도 안 될 거라는 생각을 가지게 된다.

하지만 수소 H 중에서 중성자를 가진 원소가 있다면?

그 둘이 붙어서 헬륨 He을 만들 수 있을 것 같다.

잠깐.. 우리가 방금 들은 것은 처음 듣는 말이다. 수소에 중성자가 붙을 수 있나?!!

바로 다음 그림에 나오는 분께서 우리의 "동위 원소"의 존재를 알린 분이다.

그림 출처 : https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B4%EB%9F%B4%EB%93%9C_%EC%9C%A0%EB%A6%AC

해럴드 유리 라는 사람인데, 이 분이 발견한 것은 "중수소"이다.

중수로는 수소에 다른 종류로 핵에 중성자가 추가된 원소를 이야기한다.

그렇다면 동위원소란 기본원자에 중성자가 들어간 것을 이야기하나요?

그렇습니다.

다음은 수소의 동위 원소들 모습이다.

그림 출처 : https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=yaooho&logNo=220688641585&proxyReferer=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

위 그림은 중수소와 삼중수소의 모습을 보여준다.

빅뱅 후 3분 후 "수소 핵합성"이 이루어 지면서, 헬륨이 나타나게 된 것이다.

그림 출처 : http://study.zum.com/book/13899

지금까지 헬륨이 중수소 2개를 만나게 했을 때 생긴는 것인줄 알았지만

사실은 더 복잡하고 어려운 내용이라는 것을 알게해주는 좋은 그림이다.

왜 고작 초반 3분만 핵합성이 이루어지느냐? 

그러니까 즉, 왜 더 헬륨이 만들어져도 되는데, 3분만 만들어지냐?

라고 궁금증을 자아해낼 수 있을 것이다.

아주 좋은 질문이다!

그것은 우주의 팽창운동과 관련이 있다.

초반에 앞서 설명했던, 팽창운동은 우주 내부의 열에너지, 즉 온도를 떨어뜨림과 동시에 팽창을 한다고 했다.

그렇게 온도가 덜어질 경우, 원자라는 입자의 움직임이 둔해진다.

예를 들어 새로운 원소를 합성시킬때, 우리는 고온과 압력이 필요하다.

이때, 고온은 원자의 움직임을 활성화시키는데 중요한 역할을 하기에 그렇다.

또한 좋은 예시로 물을 끓일 때, 물분자에 열을 가했을 때, 분자들의 움직임이 활발해져서

액체에서 움직이기 쉬운 기체로 바뀌어버린다.

입자 움직임이 둔해지는 것 이외에 입자들간의 거리가 멀어진다.

그 이유는 우주가 팽창하고 있기 때문이다.

고전적인 예시인데, 풍선에 유성매직으로 점 2개를 찍고, 후우~하고 불어본다면, 그 이유를 알 수 있다.

그림 출처: https://www.suyongso.com/anidong/23350207

만일 우주의 팽창이 그때보다 느리게 됬더라면...

우주 내 존재하는 모든 수소가 전부 헬륨으로 바뀌어 버리고, 새로운 분자가 생성되지 못했을 것이다.

따라서 지금의 생명체가 탄생하기 어려웠을 것이다.

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중성원자란 우주의 나이가 38만 년 정도가 되어 온도가 3000K가 되는 때, 전자와 핵이 만나면서 우리가 잘 알고있는 원소의 모습을 가지게 된다.

전자는 크기가 없다.

그런데 정말 신기한 것은 수소핵의 크기가 곧 양성자의 크기니까 10의 -15제곱미터이다.

전자가 추가된 "중성 원자" 수소의 크기는 10의 -10제곱미터이다.

전자의 크기가 없는데 더 커질 수 있던걸까?

양자 : 원소단위의 입자

양자의 세계에선 에너지가 불연속적이다.

그러니까 다음 그림을 보자.

그림 출처 : https://www.scienceall.com/%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EC%A4%80%EC%9C%84energy-level/

왜 이상한지 설명하겠다. 우선 다음을 읽어보자.

우리는 자연에 거의 대부분 신호들은 연속적이라고 생각한다.

연속적이다 라는 말은 yes or no가 아니라는 것이다.

그렇다면 불연속적이라는 것이 yes or no라고 생각하면 되는 것이다.

딱딱 끊겨서 되는 것, 사람의 편의를 위해서 우리는 컴퓨터와 노트북 핸드폰을 사용하는데,

그 이유는 이해하기 힘든 연속적인 신호를 우리가 알아먹기 쉬운 불연속적 신호로 핸드폰 내부에서 바꾸어 주는 것이다. (여기서 연속적인 자연은 목소리가 되는 것이다.)

따라서 자연 중 자연이라고 불릴만한 원소가 당연히 연속성을 띌 것이라고 예측했지만,

그렇지 않고 불연속적이라는 것을 들었을 때, 의문이 드는 것은 당연한 것이다.

아무튼 미시세계의 에너지가 불연속적이라는 사실은 주장이 아니기 때문에 암기하도록 하자.

그 불연속적 에너지에는 가장 안정된 상태가 존재한다. 

그것을 "바닥 상태" 라고 부르는데 에너지가 낮고 차분한 상태라고 보면 된다.

그 때의 원자핵과 전자 사이의 거리를 보니 10의 -5옹스트롱 정도 된다고 한다.

정말 궁금증에 대한 모든 질문의 해답은 : 원래 그랬던 것임... 어쩔 수 없다구 이래서 싫음

만일 수소의 원자 에너지가 연속적이라면?

전자는 원자핵에 끌려 들어갈 것이다.

이 내용은 수소 원자의 선스펙트럼 실험으로 이야기가 끝났다.

그림 출처 : https://javalab.org/spectrum_of_hydrogen/

위 그림은 수소 원자의 에너지가 연속적이지 않고 불연속적이라는 것을 보여주는 중요한 실험이다.

연속적이었다면 무지개처럼 다 칠해져있어야만 했다.

다음시간이 정말 마지막 두번째 시간이 될 것이다... 정말 고생많았다.