'철(Fe, 원자번호 26번)'과 '철(Fe)'보다 가벼운 원소는, '빅뱅(BigBang)'과 '항성(Star)'에서의 '핵융합(Nuclear Fusion)'에 의해 만들어졌다고 한다. '빅뱅(Big Bang)'에 의해 '수소(H, 원자번호 1번)'와 '헬륨(He, 원자번호 2번)'이 만들어졌고, 항성에서의 '핵융합'에 의해 26번 원소까지 만들어졌다. 우리의 우주는 90종 정도의 원소로 이루어져 있으며, 가운데 철보다 무거운 원소가 3분의 2 이상을 차지한다. 그러면 '철(Fe, 원자번호 27번)'보다 무거운 원소들은 어떻게 만들어졌을까?
0. 목차
- 철보다 무거운 원소는 '초신성 폭발'에 의해 만들어졌다?
- 철보다 무거운 원소의 합성 과정을 검증한다.
- 초신성 폭발에서 지구가 생기기까지
- 인공적으로 합성된 원소
- 가속기로 합성된 원소
1. 철보다 무거운 원소는 '초신성 폭발'에 의해 만들어졌다?
'철(Fe)'보다 무거운 원소는 '초신성 폭발(Supernova Explosion)'에 의해 합성되어 우주에 퍼졌다'는 설이 유력하다. '초신성 폭발(Supernova Explosion)'은 그 맹렬한 폭발 에너지에 의해, 항성 내부에서는 거의 만들어지지 않았던 철보다 무거운 우라늄까지의 원소를 차례로 합성했을 것이라 생각된다. 초신성 폭발을 거치고 나서야, 우주에는 생명을 키우기 위해 필요한 원소가 모두 갖추어졌을 것이다. 나아가 '초신성 폭발'은 항성에서 합성된 여러 가지 원소를 우주 공간으로 퍼뜨리는 역할도 하고 있다. 이들 원소는 우주를 떠다니다가, 항성이나 행성, 그리고 생명의 재료로 이용된다. 우리는 초신성 덕분에 지금 여기에 살아있는 것이라고 해도 지나친 말이 아니다.
철보다 무거운 원소는 '초신성 폭발'에 의해 합성되어 우주에 퍼졌다는 설이 유력하다고 했다. 하지만 그것이 실제로 검증된 것은 아니다. 우리의 세계는 90종 정도의 원소로 이루어져 있다. 그 가운데 금, 은, 우라늄 등 철보다 무거운 원소가 3분의 2 이상을 차지하는데도, 그들이 어떤 천체에서 어떻게 만들어졌는지는 아직 밝혀져 있지 않다.
이런 원소의 기원에 대해서는 여러 가지 이론이 나와 있다. '초신성 폭발(Supernova Explosion)' 외에 '극초신성(Hypernova)'이나 '쌍성 중성자별이 합체할 때의 대폭발' 등이다. 하지만 이제까지의 실험에 의해 확인할 수는 없었다. 이들 후보가 되는 천체에서 일어났으리라 생각되는 '핵융합 반응'을 지상에서 재현할 수가 없었기 때문이다.
2. 철보다 무거운 원소의 합성 과정을 검증한다.
하지만 2007년에 이론의 검증을 가능하게 할 실험 시설이 드디어 가동되었다. 바로 일본 이화학 연구소의 'RI 빔 팩토리(The RI Beam Factory)'이다. 그러면 'RI 빔 팩토리'는 어떻게 '초신성 폭발 때 만들어졌으리라 생각되는 철보다 무거운 원소의 합성 과정'을 검증하려고 하는 걸까?
2-1. 불안정 원자핵
모든 물질은 원자로 이루어져 있다. 그리고 원소의 종류는 원자핵을 구성하는 '양성자(Proton)'의 수로 정해진다. 예컨대 양성자가 2개이면 헬륨, 6개이면 탄소이다. 또 양성자 수가 같더라도 중성자의 수가 다른 원자핵이 있다. 원자핵은 모두 1만여 종류나 있다고 알려져 있는데, 아래 그림은 원자핵의 종류를 나타낸 것으로 '핵도표(Nuclear Chart)'라고 한다.
원자핵은 시간이 지나도 변하지 않는 '안정 원자핵'과 시간이 지나면 반드시 방사선을 내고 다른 원자핵으로 변하는 '불안정 원자핵'으로 나누어진다. 이 '불안정 원자핵'이야말로 철보다 무거운 원소의 합성에 꼭 필요한 것으로 생각된다. 그러면 '불안정 원자핵'은 철보다 무거운 원소의 합성에 어떻게 관여하고 있을까?
2-2. R-과정(R-process)
초신성 폭발을 일으키는 별의 내부는 '중성자(Neutron)'가 매우 많은 환경이다. 그리고 원자핵은 차츰 주위의 중성자를 흡수해, 중성자 수가 과잉된 '불안정 원자핵'이 만들어지리라고 생각된다. 이렇게 만들어진 '중성자 과잉 핵'에서는 일정 시간이 지나면, '중성자(Neutron)'가 '양성자(Proton)'로 바뀐다. 그 결과, 중성자가 1개 적고 양성자가 1개 많은 원자핵이 생긴다. 이런 과정을 통해, 안정된 원자핵이 되기까지 되풀이되어 무거운 원소가 만들어지는데, 이 원소 합성의 주요한 과정을 'R-과정(R-process)'이라고 한다. 'R-과정'은 실제 초신성 폭발 현장에서 일어나고 있다고 생각된다.
'RI 빔 팩토리'는 약 4000종의 '불안정 원자핵'을 만들어 낼 수 있으며, 그 가운데 약 1000종은 미지의 원자핵이다. 미지의 '중성자 과잉 핵'을 RI 빔 팩토리'에서 만들어 살펴보면, 'R-과정'을 검증할 수 있다.
2-3. 'RI 빔 팩토리'로 'R-과정'을 검증한다.
철보다 무거운 원소 합성의 수수께끼의 풀어 줄 열쇠는 '미지의 중성자 과잉 핵'에 있다. 그러면 'RI 빔 팩토리'는 어떻게 '미지의 중성자 과잉 핵'을 만들어 낼까? 이를 이해하기 위해 'RI 빔 팩토리'의 실험 장치를 살펴보자. RI 빔 팩토리는 주로 3부분으로 이루어져 있다.
- 첫째는 '우라늄(U, 원자번호 92번)' 원자에서 전자를 일부 떼어 내 '우라늄 이온'을 만들고, 그것을 가속시키는 부분이다.
- 둘째는 가속한 우라늄을 핵분열 반응시켜 '불안정 원자핵(주로 중성자 과잉핵)'을 만들어내는 부분이다.
- 셋째는 만들어낸 '중성자 과잉핵'을 분석하는 부분이다.
우라늄은 천연으로 존재하는 원소 가운데 가장 무거우며, 중성자의 비율이 높다. 그래서 '핵분열 반응'에 의해 '중성자 과잉 핵'을 효율적으로 생성할 수 있다. 이렇게 만들어 낸 '중성자 과잉 핵'의 성질을 살펴봄으로써, 각각의 '중성자 과잉 핵'이 어떻게 중성자를 흡수하고 어느 정도의 시간으로 중성자가 양성자로 바뀌는지 알 수 있다. 그 결과로부터 철보다 무거운 생성이 어떤 과정으로 이루어지는지 추측할 수 있다.
3. 초신성 폭발에서 지구가 생기기까지
그러면 '초신성 폭발'로 퍼져 나간 우라늄까지의 원소는 그 뒤에 어떻게 해서 지구와 같은 행성을 탄생시켰을까?
우선 '초신성 폭발'에 의해 퍼져 나간 여러 원소는 나중에 행성이나 행성이 될 재료를 포함한 성간 '분자운(molecular cloud)'이 된다. 그 뒤, 성간 분자운이 밀도가 높은 부분이 중력에 의해 수축해 원반이 형성된다. 그 원반의 중심에서는 원시 태양이 빛나기 시작해, '태양계 원반'이 탄생한다. 그리고 원반에 들어 있던 먼지나 가스가 중력에 의해 모여, 무수한 '미행성(planetesimal)'이 형성되기 시작한다. 미행성 중 상당수는 최종적으로 격렬한 충돌로 인해 산산조각이 난다. 하지만 원시행성계 원반 내에서 가장 커다란 것들은, 격렬한 충돌을 많이 겪었음에도 살아남아서 성장을 계속하였고, 결국 '원시 행성' 또는 '행성'이 되어간다. 그리고 이윽고 현재와 같은 8개의 행성으로 성장하였다.
이런 과정을 거쳐 '지구(Earth)'가 탄생했다. 즉, 우라늄까지의 여러 가지 원소가 있는 지구와 같은 행성을 가진 항성은 우주 탄생으로부터 적어도 2세대째 이후인 셈이다. 참고로 태양계에 있는 주된 원소의 존재비는 수소를 1로 하면, 헬륨 0.1, 탄소 10-4, 산소 10-3, 규소 2×10-5, 철 10-5, 납 10-11, 금 10-11 등이다.
4. 인공적으로 합성된 원소
4-1. 93번 이후의 원소는 천연으로 존재하지 않는다.
지금까지 살펴본 것은 천연으로 존재하는 '우라늄(U, 92번 원소)'까지의 합성이다. 하지만 주기율표에는 118종의 원소가 실려 있다. (새로운 원소가 발견됨에 따라 더 많아질 수도 있음) 그러면 이 원소들은 어떻게 만들어졌을까?
118종의 원소 가운데 약 30개 정도는 자연계에 본래 존재하지 않고, 인간이 만들어 낸 원소이다. 이들 원소가 천연으로 존재하지 않는 이유는, 비록 과거에 존재했다고 하더라도, 불안정해서(수명이 짧아서) 현재까지 남아 있지 않기 때문이다. 다만, '라듐(Ra, 원자번호 88번)'처럼 수명이 짧아도, 수명이 긴 다른 원소가 붕괴함으로써 만들어지는 형태로 지구에 존재하는 원소도 있다.
4-2. 인공적으로 합성된 원소는 어떻게 만들어졌는가?
그러면 인공적으로 합성된 원소들은 어떻게 만들어졌을까? 더 무거운 원소를 합성하려면, 빅뱅이나 항성 내부에서 이루어진 것처럼 원자핵끼리 부딪쳐 '핵융합 반응'을 일으켜야 한다. 하지만 '핵융합 반응'은 간단하지 않다. 양전하를 지니는 원자핵끼리는 서로 반발하기 때문에, 2개의 원자핵을 충돌시키려면, 원자를 매우 빠른 속도로 날아가게 해야 한다. 그래서 '가속기(입자를 가속해 충돌시킬 수 있는 실험 장치)'를 사용해 입자를 가속시켜 입자를 충돌시킨다. '가속기'를 사용해 원자핵끼리의 충돌에 의해 새로운 원소를 만들어 낼 수 있다.
하지만 이렇게 마들어낸 새로운 원소의 수명은 매우 짧다. 그래서 미지의 원소의 존재는 어떻게 붕괴되는지를 관측함으로써 확인한다. 붕괴해서 생긴 이미 알려진 원소의 존재를 관측해, 붕괴를 더듬어 거슬러 올라감으로써 합성된 것이 몇 번째 원소이었는지를 판단할 수 있다.
5. 가속기로 합성된 원소
'초우라늄 원소(Trans-Uranium Element)'는 원자번호가 우라늄의 원자번호인 92보다 큰 원소들을 말한다. 같은 원소에 속하는 모든 원자들은 원자핵 안에 포함된 양성자 수를 나타내는 같은 원자번호를 갖는다. 따라서 모든 우라늄 동위원소들은 원자핵에 92개의 양성자를 가지고 있다. 1930년대까지는 과학자들이 우라늄이 존재할 수 있는 가장 무거운 원소라고 생각했다. 그러나 원자핵물리학이 발전하면서 실험실, 원자로, 핵실험, 입자가속기에서 인공적으로 초우라늄 원소들을 만들어낼 수 있게 되었다. 그리고 원소의 발견은 지금도 계속 이어지고 있다. 하지만 원소가 발견되어도 공식적으로 인정되기 위해서는 엄밀한 인증 과정을 거쳐야 한다.
그러면 새로운 원소는 어디까지 늘어나게 될까? 일반적으로 원자핵이 커짐에 따라 충돌하기 어렵고, 핵융합 반응의 확률이 떨어진다. 그래서 큰 원자량을 가진 원소의 합성은 더욱 어려워진다. 이론적으로는 172번 원소까지는 존재한다고 한다. 하지만 아직 그런 원소를 합성하는 방법은 아직 확실히 알지 못한다. 주기율표는 앞으로도 많이 확장될 것으로 보인다.
| 원자 번호 | 원소 기호 | 우리말 이름 | 발견 연도 (발견 인정 연도) | 발견자 | 비고 |
| 112 | Cn | 코페르니슘(Copernicium) | 1996(2009) | 독일 등의 국제 팀 | Zn을 Pb에 충돌시켜 합성 |
| 113 | Nh | 니호늄(Nihonium) | 2004(2015) | 일본 이화학 연구소 | Zn을 Bi에 충돌시켜 합성 |
| 114 | Fl | 플레로븀(Flerovium) | 2000(2011) | 러시아·미국 공동 연구팀 | Ca을 Pu에 충돌시켜 합성 |
| 115 | Mc | 모스코븀(Moscovium) | 2004(2015) | 러시아·미국 공동 연구팀 | Ca을 Am에 충돌시켜 합성 |
| 116 | Lv | 리버모륨(Livermorium) | 2001(2011) | 러시아·미국 공동 연구팀 | Ca을 Cm에 충돌시켜 합성 |
| 117 | Ts | 테네신(Tennessine) | 2010(2015) | 러시아·미국 공동 연구팀 | Ca을 Bk에 충돌시켜 합성 |
| 118 | Og | 오가네손(Oganesson) | 2002(2015) | 러시아·미국 공동 연구팀 | Ca을 Cf에 충돌시켜 합성 |
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