물질의 기본단위는 원자입니다. 숯을 작게 부숴나가면 마지막에는 탄소의 성질을 갖는 가장 작은 단위인 탄소 원자에 도달합니다. 이와 같이 모든 물질은 원소의 성질을 갖는 최소 단위로 구성 되는데 이게 ‘원자’입니다.
원자는 양성자, 중성자, 전자로 구성됩니다. 현재까지 자연계에서 발견된 원자는 모두 92가지인데, 원자의 종류는 양성자의 수에 따라 결정됩니다.
양성자의 수자 1개이면 수소(H), 2개면 헬륨(He), 3개면 리튬(Li), 6개면 탄소(C) 등 이렇게 종류가 결정됩니다. 원자에 붙은 양성자가 92개면 우라늄(U)입니다. 이 양성자의 수가 화학식에서 말하는 원소번호입니다.
양성자 수는 원자의 종류를 결정하고 전자는 원자의 화학적 성질을 결정합니다.
금의 광택이나 다이아몬드의 결정구조는 모두 전자에 의해 결정됩니다. 빵이 부드러운 이유도, 그 빵을 자르는 칼이 딱딱한 이유도 전자의 상태에 따른 것입니다.
우리 사람의 몸을 비롯한 모든 생명체는 원자의 혼합물이며, 지구라는 행성도 원자의 혼합물입니다. 궁극적으로 지구상에 존재하는 모든 생명체와 물체, 그리고 우주의 모든 물질은 양성자, 중성자, 전자가 각기 다른 방식으로 결합된 결과물입니다.
생명을 다하고 폭발하는 별의 모습. 사진제공=미 항공우주국(NASA·나사)자연계에서 원자가 생성되기 위해서는 1000만도 이상의 초고온과 초고압이 필요합니다. 자연계에서 이런 조건을 만들 수 있는 것은 별의 내부입니다. 밤하늘에 떠 있는 수많은 별들은 원자의 공장인 셈이죠.
별의 내부에서 두 개의 수소핵이 결합하면 중수소핵 한 개가 만들어지고, 중수소핵과 수소핵 한 개가 결합하면 삼중수소가 만들어집니다. 삼중수소 두 개가 결합하면 비로소 헬륨이 만들어지게 됩니다.
수소가 헬륨으로 합성되는 것을 핵융합 반응이라고 하는데 이 과정에서 감마선의 광자가 만들어집니다. 이 광자는 가시광선이 되는데 우리가 보는 태양빛이 광자의 가시광선입니다.
별은 이런 핵융합 반응을 반복하면서 빛과 열을 내고, 시간이 지나면서 수소와 헬륨보다 복잡하고 무거운 원소를 합성합니다.
태양보다 질량이 더 큰 별에서는 핵융합 반응을 거듭하면서 헬륨은 네온>마그네슘>규소>황 순으로 무거운 원소가 됩니다. 그리고 핵융합 반응으로 만들어지는 마지막 단계의 원소는 철입니다.
이렇게 다양한 원소를 만들어 내는 별들도 언젠가는 수명을 다하고 폭발을 합니다. 그리고 생명을 다한 별은 자신이 만들어낸 원소들을 우주공간으로 퍼트립니다.
이렇게 우주 공간으로 흩어진 원소들은 점점 모여 성간 가스가 되고 구름이 돼 다시 새로운 별이나 행성이 태어납니다.
우리 태양계의 태양(별)과 지구, 수성, 금성, 화성 등도 다른 별들의 폭발로 인해 생겨난 것입니다. 우리는 어떤 별의 폭발로 태양계가 생겨났는지 알 수 없지만 46억년 이전 태양계 주변에서 수명을 다한 별이 있었다는 것은 알 수 있습니다.
태양의 경우 98%는 수소와 헬륨으로 이루어져 있습니다.
지구를 이루는 물질은 수소와 헬륨 외 탄소, 철, 금, 우라늄 등 다양합니다. 이는 곧 아주 먼 옛날 태양이 아닌 다른 별들의 폭발로 유래했다는 증거입니다.
우리의 몸과 지구상의 다른 생명체, 물질 등은 모두 이렇게 별의 내부에서 합성된 물질로 이뤄진 것입니다. 따라서 우리 모두는 별의 자손이라고 볼 수 있습니다.
/김정욱 기자 mykj@sedaily.com
