원소의 생성

빅뱅 직후의 우주에는 거의 수소와 헬륨뿐이었다. 그런데 지구는 철, 산소, 규소로, 우리 몸은 산소, 탄소, 수소, 질소로 이루어져 있다. 수소와 헬륨보다 무거운 이 원소들은 언제, 어디서 만들어졌을까?

원자핵 고르기

2.2.1빅뱅이 만든 원소

빅뱅 직후 몇 분 동안 우주는 아주 뜨겁고 빽빽해서 양성자와 중성자가 부딪쳐 원자핵을 만들 수 있었다. 그런데 우주가 빠르게 팽창하며 식는 바람에 이 반응은 몇 분 만에 멈추었다. 그 짧은 동안 만들어진 것은 대부분 수소와 헬륨이고, 리튬이 아주 조금 생겼다. 그래서 별이 생기기 전의 우주에는 탄소나 산소가 거의 없었다.

2.2.2별 속의 핵융합

이후 수소와 헬륨 기체가 중력으로 뭉쳐 별이 되었다. 별의 중심은 수천만 K까지 뜨거워져, 수소 원자핵 네 개가 합쳐 헬륨 원자핵 하나가 되는 핵융합이 일어난다. 이때 헬륨 핵의 질량은 수소 핵 네 개의 질량보다 약 0.7% 작고, 줄어든 질량이 에너지로 바뀌어 별이 빛난다.

수소가 바닥나면 별의 중심은 더 수축하고 더 뜨거워져 헬륨이 탄소와 산소로 융합한다. 태양보다 훨씬 무거운 별에서는 이 과정이 계속되어 네온, 마그네슘, 규소를 거쳐 철까지 만들어진다. 그런데 철에서 더 나아가지 못한다. 그 까닭이 그림 1에 있다.

그림 1에서 원자핵을 하나씩 골라 보자. 수소에서 헬륨으로 갈 때 곡선이 크게 올라가는데, 이 높이 차이가 핵융합에서 나오는 에너지이다. 철을 지나면 곡선이 조금씩 내려가므로, 철보다 무거운 핵은 융합으로 만들 때 오히려 에너지가 든다. 그래서 별의 중심은 철이 쌓이면 더 이상 에너지를 낼 수 없다.

2.2.3철보다 무거운 원소

금, 납, 우라늄처럼 철보다 무거운 원소는 원자핵이 중성자를 붙잡는 방식으로 만들어진다. 중성자는 전기를 띠지 않아 원자핵에 쉽게 다가갈 수 있고, 붙잡힌 중성자가 양성자로 바뀌면 원자 번호가 하나 올라간다. 이 과정은 무거운 별의 마지막 단계, 초신성 폭발, 그리고 중성자별끼리의 충돌에서 일어난다.¹ 폭발로 우주에 흩어진 원소는 다음 세대의 별과 행성, 그리고 생명의 재료가 된다.

2.2.4예제 풀이

처음 질량은 \(4 \times 1.0073 = 4.0292\) u이고, 나중 질량은 \(4.0015\) u이다. 줄어든 질량은 \(4.0292 - 4.0015 = 0.0277\) u이므로 처음의 \(\dfrac{0.0277}{4.0292} \approx 0.0069\), 곧 약 0.7%이다.

태양에 쓰면 1초에 \(6 \times 10^{11} \times 0.007 \approx 4 \times 10^{9}\) kg, 곧 약 400만 톤이 에너지로 바뀐다. 아인슈타인의 관계 \(E = mc^2\)에 넣으면 \(4 \times 10^9 \times (3 \times 10^8)^2 \approx 4 \times 10^{26}\) J이고, 이것은 실제로 측정한 태양의 밝기(1초에 약 \(3.8 \times 10^{26}\) J)와 같은 크기이다.

질량의 0.7%라는 작은 차이가 별을 수십억 년 동안 빛나게 하는 셈이다. 아래 탐구 카드에서 핵융합이 어디까지 이어지는지, 그리고 금 같은 무거운 원소가 어떻게 생기는지 직접 따라가 보자.

1. 2017년 중성자별 두 개가 충돌하며 낸 중력파(GW170817)와 빛을 함께 관측해, 이런 충돌에서 금과 백금 같은 무거운 원소가 많이 만들어진다는 증거를 얻었다.