원소의 기원(2004, 9월모평)

우주의 만물은 모두 원소로 이루어져 있는데, 지금까지 알려진 원소의 종류는 약 100여 종이다. 흔히 이들은 우주가 생 겨날 때부터 존재했을 것이라고 생각하지만, 원소에 따라 그 생성 기원이 다르다. 우주가 생겨날 때 만들어진 것, 별의 진화 과정에서 만들어진 것, 별이 폭발할 때 만들어진 것이 있다.

우주가 생성될 때 일어난 대폭발로 수소와 일부의 헬륨이 생겼다. 그리고 별이 진화하는 과정 속에서 나머지 헬륨과 또 다른 원소들이 만들어졌다. 태양보다 질량이 큰 별의 생성 초기에는 수소로부터 헬륨이 만들어지는데, 여기에는 천만 도(10의 7승 K) 이상의 높은 온도가 필요하다. 고온에서 원자핵이 반응하여 더 큰 원자핵이 되는 것을 핵융합이라고 한다. 수소가 핵융합을 하여 헬륨을 생성하는 단계가 끝난 후, 별의 중심부 온도가 일억 도(10의 8승 K) 정도로 올라가면 헬륨보다 무거운 원소들이 만들어지기 시작한다. 헬륨 3개가 결합하여 탄소가 만들어지며, 탄소에 하나의 헬륨이 더해져 산소가 만들어진다. 별의 중심부 온도가 십억 도(10의 9승 K) 이상이 되면 탄소와 산소가 다시 작은 원소로 깨어지고 서로 합쳐져 질량이 더 큰 마그네슘, 규소, 황 등 다양한 원소들이 만들어진다.

그러나 현재 존재하는 원소 중 철보다 무거운 것은 단순히 핵융합에 의해 만들어지지 않는다. 비록 철 원소가 만들어지는 조건에서 일시적으로 철보다 무거운 원소가 만들어지더라도 곧 다시 분해되어 안정된 철로 되돌아간다. 이것은 철의 원자핵 내 핵자 결합 에너지가 원소 중에서 가장 크기 때문이다. 핵자는 양성자나 중성자이며, 그 결합 에너지는 핵으로부터 핵자를 떼어내는 데 필요한 에너지를 말한다. 철보다 가벼운 원소는 질량이 클수록 핵자 결합 에너지가 크지만, 철보다 무거운 원소는 질량이 클수록 핵자 결합 에너지가 작다.

철보다 무거운 원소들은 다음과 같이 별이 폭발할 때 만들어지는 것으로 설명되고 있다. 핵융합에 의해 만들어진 철이 많아질수록 별의 수축이 일어난다. 별 중심부로의 수축이 진행될수록 온도가 높아지다가 어떤 한계점에 이르게 되면 별은 폭발한다. 철보다 무거운 원소들은 별이 폭발할 때 생기는 높은 밀도의 양성자와 중성자가 그 전에 만들어진 원소와 결합하여 순간적으로 만들어진다. 라듐이나 우라늄 등이 이렇게 만들어진 원소이다.

결국 수소와 일부의 헬륨을 제외한 원소들은 오래 전에 존재하였던 별의 잔해라고 할 수 있다. 또한 원소들도 우주에서 태어난 탄생 순서가 있다고 볼 수 있다.