창의력올림피아드

핵융합 원자핵을 만들다.

   원자핵은 양성자와 중성자가 하나로 융합한 형태이다. 

   원자핵의 탄생을 이해하기 위해서는 빛에너지(광자)가 어떻게 입자와 반입자로 변환되고(쌍생성), 입자와 반입자가 어떻게 융합하여 빛에너지(광자)로 전환(쌍소멸)되는지, 그리고 반입자와 비교하여 1/10억 정도 많았던 입자가 끝끝내 살아남아 우리의 우주가 존재할 수 있게 되었는지와 같은 최소한의 물리적 개념을 이해할 필요가 있는지는 모르겠다. 그러나 물질의 본성을 탐구하고자 한다는 측면에서는 그렇게까지 깊이 파고 들어가야 한다고 생각하지는 않는다.

   빅뱅 이후 3분이 지나면서 온도가 급격히 떨어지게 되면 강한 핵력이 운동에너지를 상회하기 시작하고 양성자와 중성자가 결합하여 원자핵이 만들어진다. 

   다소 복잡하게 느껴지겠지만 이제 다시 상호작용의 힘으로 들어가야 한다. 빅뱅 이전에는 우주의 질서를 규율하는 4가지 힘 즉 중력과 전자기력, 강력(강한 상호작용), 약력(약한 상호작용)이 하나로 합쳐져 있었다. 빅뱅 대폭발이 일어나자 이중 가장 먼저 거시세계 물질의 상호작용을 규율하는 중력이 독립하게 된다. 중력은 질량을 가지고 있는 물체(물질)는 두 물체(물질) 사이의 거리 제곱에 반비례하고 두 물체의 질량의 곱에 비례하여 서로가 상호 작용하는 힘을 말한다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton 1642~1727)의 사과를 생각하면 연상되는 힘이다. 그는 나무에 매달려 있던 사과가 지표면으로 떨어지는 현상에 대해 ”지구라는 물체(물질)와 사과라는 물체(물질) 사이에 상호 작용하는 힘의 결과 즉, 지구는 사과를 잡아당기고 사과는 지구를 잡아당기면서 생기는 현상“으로 이해했고 1686년 프린시피아(PRINCIPIA)라는 저널을 통해 발표하게 된다. 중력은 사과를 떨어지게 하고 달이 지구를 돌게 하고 지구가 태양을 돌게 하고 태양이 은하 중심을 돌게 하는 등 거시 세계에서는 매우 큰 힘처럼 보이지만 미시 세계의 원자와 원자, 양성자와 중성자 사이에서 작용하는 중력의 힘은 측정 불가능할 정도로 미약하다. 입자들의 질량이 극한으로 작기 때문이다.

   중력 다음으로 독립하게 되는 힘은 미시 세계를 규율하는 전자기력이다. 전자기력은 우리가 일상생활에서 많이 접하는 친숙한 힘인데 전기력은 전하와 전하의 움직임에 의해 발생되는 힘으로 서로 다른 극성 즉, 플러스 전하와 마이너스 전하 사이에는 서로 잡아당기고(인력) 같은 극성 즉, 플러스와 플러스, 마이너스와 마이너스 사이의 전하 사이에서는 서로 밀어내는 힘(척력)을 말한다. 원자를 돌고 있는 전자의 무질서한 배열에 질서를 부여하게 되면 전하가 움직이면서 자기장이 발생하는데 앞서 말한 전기력과 자기장을 합쳐 전자기력이라고 이름 붙였다. 여기에서는 전하 사이의 힘인 전기력을 중심으로 이야기를 풀어나갈 것이다. 우리 인간의 무딘 감각으로 비교하는 것은 무리이겠지만 미시 세계의 원자와 원자, 양성자와 중성자 사이에서 작용하는 전기력은 그들 사이에 작용하는 중력보다 4 x 10⁴²배나 크다. 가히 압도적이라 할 수 있다.

   세 번째 힘인 약력(약한 핵력)은 중성자나 양성자와 같은 소립자 사이의 상호작용을 규율하는 힘이다. 약력(약한 핵력)의 발견은 1895년 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen 1845~1923)의 X선 발견과 1896년 베크렐(Becquerel 1852~1908)의 방사선 발견으로 촉발되었다. 베크렐은 불안정한 원자핵에서 알파선(α rays), 베타선(β rays), 감마선(γ rays)이라는 방사선이 방출된다는 사실을 밝혀냈고 1930년 파울리(Wolfgang Ernst Pauli 1900~1958)는 원자핵에는 없는 마이너스 전하인 전자와 중성입자인 뉴트리노라는 입자가 베타선(β rays 또는 베타 붕괴))과 함께 방출된다는 것을 밝혀냈다. 핵 물리학의 아버지이자 원자폭탄의 아버지로 불리는 페르미(Enrico Fermi 1901~1954)가 1933년 양성자보다 약간 무거운 중성자가 붕괴하여 양성자로 바뀌면서 전자와 뉴트리노를 방출한다는 이론을 확립하였다. 현재는 베타 붕괴로 인해 중성자가 양성자로 바뀌기도 하지만 양성자가 중성자로 바뀌기도 한다는 이론이 보편적인 지지를 받고 있다. 아래 모식도에서 중성자가 양성자로 바뀌려면 중성자에 있는 down 쿼크 1개가 up 쿼크로 바뀌면 된다. 이때 –1/3의 전하량을 갖는 down 쿼크 1개가 +2/3의 up 쿼크로 바뀌기 위해서는 –1의 전하량을 방출해야 한다. -1의 전하량을 갖는 근본 입자를 우리는 전자라고 부른다. 계산식은 (+2/3의 up 쿼크)+(-1 전자)=(–1/3 down 쿼크)가 된다. 반대로 양성자가 중성자로 바뀌려면 양성자에 있는 up 쿼크가 down 쿼크로 바뀌면 된다. 이렇게 쿼크의 유형을 바꾸는 힘 그것을 약력(약한 핵력)이라고 정의했다.

   결국 극히 미세한 세계에서 작용하는 약력은 중성자와 양성자 등 소립자 사이의 붕괴를 통한 변환을 일으키는 힘이다. 인류가 개발한 최악의 무기인 원자폭탄 원리의 토대가 되는 이론이기도 하다. 약력은 우주를 관통하는 중요한 힘의 하나이긴 하지만 물질의 본성을 밝혀내고자 하는 이 글에서 중요한 도구로 활용하지는 않을 것이다. 우주에 존재하는 모든 물질은 중력과 전자기력, 강한 핵력, 약한 핵력의 영향을 받는데 중력과 전자기력, 강한 핵력의 본성은 이 글에서 논하고자 하는 ‘융합’이라는 담론과 관련하여 학문적으로 전진하는데 영향을 주는 반면 약한 핵력은 역진하는 다시말해 반동하는 방향으로 영향력을 행사하기 때문이다. 

   네 번째 힘인 강력(강한 핵력)은 중성자, 양성자처럼 소립자 사이의 상호작용을 규율하는 힘이다. 당연히 원자핵 크기 정도의 매우 짧은 거리에서만 힘이 작용하게 된다. 

   원자핵을 구성하는 양성자와 중성자가 하나로 융합한다고 가정해 보자. 양성자와 중성자는 우리가 상상하기 어려울 정도로 크기나 질량이 적기 때문에 둘 사이에 작용하는 중력은 극히 미미하다. 따라서 중력이라는 힘으로 둘을 뭉치게 묶어 놓는다는 것은 불가능하다. 전기력도 마찬가지다. 양성자는 플러스 1의 전하량을 갖고 있지만 중성자는 전하량이 0이어서 서로 밀거나 잡아당기질 못한다. 양성자 1개와 중성자 1개로 핵을 구성하는 수소 원자핵은 그렇다 치더라도 양성자 2개와 중성자 2개로 구성된 헬륨 원자핵을 생각하면 더욱 아찔해진다. 전기력이 없는 중성자와는 달리 미시세계에서 중력보다 4 x 10⁴²배나 압도적으로 큰 전기력을 생각할 때 같은 극성을 가지고 있는 양성자 두 개가 엄청난 힘(양성자 둘 사이에 만들어지는 척력은 9kg으로 계산되는데 극초 미시 세계에서 이 힘은 지구라는 거대한 물체가 사람 한 명을 누르는 힘보다도 훨씬 크다고 생각하면 된다. 정말 아찔하게 강력한 힘이다. 우라늄 원자핵을 예로 보자. 우라늄 원자핵은 92개의 양성자가 붙어 있는 형국이다. 양성자들은 서로를 엄청난 힘으로 밀어내려 할 것이다. 만약 다른 힘이 존재하지 않는다면 구 모양으로 뭉쳐 있는 92개의 양성자 중 외각에 붙어 있는 양성자는 초당 3만KM 이상의 속도로 튕겨 나올 것이다. 그러나 그런 일은 일어나지 않는다. 만약 그런 일이 일어난다면 우리의 몸은 존재할 수 없다. 우리의 몸을 구성하는 기본 단위는 원자(어떤 원소이건)이고 원자의 중심에 원자핵들이 있고 원자핵들은 원소에 따라 다르긴 하지만 여러 개의 양성자로 구성되어있음으로 같은 논리대로라면 순식간에 먼지처럼 우주 공간으로 흩뿌려져야 한다. 존재하는 모든 물체들도 마찬가지일 것이다. 그러나 그런 일은 일어나지 않는다. 따라서 같은 극성의 양성자들이 서로 뭉쳐 있기 위해서는 또 다른 강력한 힘을 가정해야 한다. 그 힘은 당연히 전자기력보다는 커야 한다. 물리학자들은 그 힘이 전자기력보다 100배는 크다는 계산을 하였고 그 힘이 미치는 범위는 양성자와 양성자가 사이 이내 정도의 매우 적은 극소 거리로 이해하고 있다.

   1935년 유카와 히데키(Hideki Yukawa 1907~1981)는 자연계에서 자연이 스스로 만들어낼 수 있는 가장 무거운 원소는 우라늄(현재까지 발견된 우라늄보다 더 무거운 원소들은 인간이 인위적으로 만든 원소들임)이라는 사실을 밝혀냈다. 우라늄 핵은 92개의 양성자로 이루어져 있는데 92개보다 더 많은 양성자가 뭉치면 더 무거운 원소가 된다. 그러나 자연계에서는 92개 이상의 양성자가 잘 뭉치지 못한다. 히데키는 그 이유를 양성자를 묶어 놓는 힘의 매개체가 양성자의 반지름보다 훨씬 작은 거리에서만 작용하기 때문에 외각의 양성자로 갈수록 힘을 쓰지 못하게 된다는 가설을 제시했다. 1947년 세실 파우웰(Cecil Powell 1903~1969)에 의해 힘의 매개체가 발견된다. 이 새로 발견된 힘을 강력(강한 핵력)이라고 부르게 된 것이다.